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        一種可跳躍的月面移動機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

        2020-09-27 08:32:02杜小振曾慶良
        深空探測學(xué)報 2020年3期
        關(guān)鍵詞:月面輪轂障礙物

        李 賀,王 禹,杜小振,曾慶良

        (山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院,青島 266590)

        引 言

        月球蘊藏著許多人類所需要的資源和未解的秘密。通過對月球的探測和開發(fā)可以深化人類對月球及宇宙空間的認(rèn)識,有利于推動國家航天技術(shù)的發(fā)展。但受到科學(xué)技術(shù)水平的限制一直未能進(jìn)行大規(guī)模的探測、開發(fā)和利用,所以月球一直是各個航天大國開展深空探測的首要目標(biāo)。

        月面移動機(jī)器人是進(jìn)行深空探測的重要工具。20世紀(jì)60年代起,人類開始利用月球車對月面巡視探測,例如前蘇聯(lián)的Lunokhod和美國“阿波羅”系列月球車[1-2]。美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Agency,NASA)提出的ATHLETE探測車采用運動足與車輪相結(jié)合的設(shè)計,既能實現(xiàn)月球車的升降,又能實現(xiàn)各個方位的運動,具有較強(qiáng)的靈活性[3]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者基于自平衡能力與翻越障礙物能力等要求,設(shè)計了一種八輪式月球車,可應(yīng)用于月面地形復(fù)雜的探測區(qū)域[4-5]。2000年,美國明尼蘇達(dá)大學(xué)研制了一款名為UMN Scout的輪式移動跳躍機(jī)器人,該機(jī)器人同時具有通過輪子運動和通過跳躍系統(tǒng)跳躍兩種功能,基本可以滿足月球探測的要求,但存在跳躍能力不夠高,不能自由調(diào)整跳躍姿態(tài)等不足[6]。日本東京工業(yè)大學(xué)Hideyuki Tsukagoshi等研制的Leg-in-Rotor機(jī)器人,同時具有輪式移動和氣動跳躍的功能,且運動靈活、機(jī)動性較高[5]。除此之外,載人月球車因其可搭載宇航員進(jìn)行大范圍人工探測采樣活動,可完成高速移動、物資運轉(zhuǎn)與應(yīng)急救援等重要工作,也成為深空探測活動的重要研究內(nèi)容[8-9]

        由于月球表面地勢凹凸不平,傳統(tǒng)的月面機(jī)器人在月球表面工作時會遇到難以跨越的障礙,行動能力較差,給探測任務(wù)帶來了極大的挑戰(zhàn)[10]。而可跳躍的月面移動機(jī)器人對變形輪結(jié)構(gòu)以及越障性能進(jìn)行了設(shè)計、分析和研究,使其同時具有移動和跳躍的能力[11-12]。其優(yōu)勢在于控制簡單、行動機(jī)構(gòu)簡潔,可以更好適應(yīng)月面的地勢環(huán)境,比傳統(tǒng)的月面機(jī)器人具有更強(qiáng)的通行能力。其中變形輪和跳躍系統(tǒng)的結(jié)合是一種全新的設(shè)計方式,變形輪用于平地行走和跨越較為低矮的障礙,而跳躍系統(tǒng)則用于跨越使用變形輪也難以跨越的障礙,在遇到大小不一的障礙物時可以根據(jù)需要自行調(diào)整跨越方式。同時具備高速移動、爬坡和跳躍的功能,這使得該機(jī)器人的越障能力大大加強(qiáng)。該月面機(jī)器人的質(zhì)量和體積比較小巧,起跳角度和起跳高度可調(diào)節(jié),空中穩(wěn)定性和落地后的穩(wěn)定性比較好,傾倒后可通過變形輪上的彈性緩沖架實現(xiàn)自動復(fù)位,在月面機(jī)器人領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

        1 月面移動機(jī)器人總體設(shè)計方案

        基于越障能力、輕量化、小型化、穩(wěn)定性和能源利用率等方面的要求,對機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與設(shè)計,使機(jī)器人同時具備移動與越障功能,使其具有運動靈活、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)呈對稱分布,如圖1所示,主要分為3個模塊:變形輪式行走機(jī)構(gòu)、起跳角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和氣動跳躍機(jī)構(gòu)。變形輪式行走機(jī)構(gòu)主要由2個與車架相連的變形輪和安裝在內(nèi)軸車架上的驅(qū)動裝置組成。驅(qū)動裝置采用了直流伺服電機(jī),通過兩組齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動變形輪實現(xiàn)行走和變形,利用2個電機(jī)的正反轉(zhuǎn)可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。由于只有一對輪轂,可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向,轉(zhuǎn)向更加靈活。安裝在外盤上的彈性緩沖架可避免機(jī)器人跳躍落地時,側(cè)面著地引起的剛性沖擊,可容易使傾倒后的機(jī)器人調(diào)整至水平狀態(tài)。起跳角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過角度調(diào)節(jié)電機(jī)控制曲柄連桿機(jī)構(gòu),使氣缸轉(zhuǎn)動至合適的角度,改變跳躍方向,跨越障礙。氣動跳躍機(jī)構(gòu)中的儲氣瓶通過電磁閥控制給氣缸充氣,氣缸內(nèi)的氣體膨脹將氣缸桿推出,氣缸桿撞向月面,月面對氣缸桿產(chǎn)生反作用力使月面機(jī)器人跳起,通過改變電磁閥的工作狀態(tài)可控制跳躍高度[13-14]。

        圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Overall structure diagram

        鑒于月面地形環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性,要想成功越過障礙則需要實時調(diào)節(jié)月面機(jī)器人的運動狀態(tài),使其適應(yīng)地形的變化。月面機(jī)器人共有3種運動狀態(tài),如表1所示。

        表1 月面機(jī)器人的三種運動狀態(tài)Table 1 Three motion states of the lunar robot

        在地勢比較平坦的路面工作時,跳躍機(jī)器人的運動狀態(tài)與常規(guī)輪式越障機(jī)器人一致,具有移動速度快、承載能力強(qiáng)、運動穩(wěn)定性好的特點。在遇到小障礙物時,車輪由原先的整圓結(jié)構(gòu)變形為異形輪結(jié)構(gòu)。變形輪內(nèi)的行星齒輪組,通過控制輪轂轉(zhuǎn)動不同的角度從而使車輪直徑變大,來實現(xiàn)不同高度障礙物的爬越,使得月面機(jī)器人的越障能力大大提升。當(dāng)遇到異形輪無法越過的大障礙物時,月面機(jī)器人通過啟動跳躍機(jī)構(gòu)越障。該月面機(jī)器人重心低于車輪中心軸線,保證機(jī)器人在跳躍落地后的穩(wěn)定性。輪轂上裝有彈性車圈,在機(jī)器人跳躍落地時起到一定的緩沖減振作用。

        2 月面移動機(jī)器人移動系統(tǒng)

        月面機(jī)器人依靠移動系統(tǒng)來完成大部分工作,所以其在整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計中顯得尤為重要。移動系統(tǒng)的設(shè)計目前趨向于以輪式、仿生腿式移動系統(tǒng)為基礎(chǔ),以復(fù)合式越障系統(tǒng)作為發(fā)展的重點。綜合分析現(xiàn)有的幾種移動系統(tǒng)的優(yōu)缺點(如表2所示),設(shè)計符合月面復(fù)雜地形的移動系統(tǒng)。

        表2 典型移動系統(tǒng)的性能對比Table 2 Performance comparisons for typical mobile systems

        2.1 機(jī)器人變形輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

        該機(jī)器人移動系統(tǒng)基于齒輪傳動方式,采用軸中軸和行星輪系傳動設(shè)計方法,具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、傳動平穩(wěn)及工作壽命長等特點。移動系統(tǒng)采用軸中軸和行星輪系傳動設(shè)計,其基本原理如圖2所示,(a)(b)分別表示變形前和變形后車輪的兩種狀態(tài)。外盤與內(nèi)盤通過行星輪軸連接并固定在一起,內(nèi)盤與驅(qū)動軸的外軸采用一體化設(shè)計,外軸與齒輪傳動系統(tǒng)采用鍵連接。內(nèi)軸和外軸之間只有軸向固定,通過兩個電機(jī)分別控制,使兩軸可以相對轉(zhuǎn)動。電機(jī)通過齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動外軸轉(zhuǎn)動,使內(nèi)盤轉(zhuǎn)動,進(jìn)而控制變形輪移動實現(xiàn)越障功能。外盤通過軸承與驅(qū)動軸的內(nèi)軸連接,內(nèi)軸與中心齒輪和齒輪傳動系統(tǒng)都采用鍵連接,3個輪轂通過行星齒輪與中心齒輪連接,并通過軸承連接到行星輪軸上。電機(jī)通過齒輪傳動系統(tǒng)驅(qū)動內(nèi)軸轉(zhuǎn)動,進(jìn)而使中心齒輪轉(zhuǎn)動。中心齒輪轉(zhuǎn)動時,3個輪轂會旋轉(zhuǎn)相同的角度,直到與外盤相接觸,此時電機(jī)持續(xù)提供轉(zhuǎn)矩,輪轂就會保持在變形狀態(tài),實現(xiàn)車輪變形的功能。

        圖2 變形輪結(jié)構(gòu)原理圖Fig. 2 Deformation wheel structure schematic diagram

        2.2 變形輪強(qiáng)度仿真

        由于該月面機(jī)器人工作環(huán)境的特殊性,必須保證其主要受力部件的強(qiáng)度,以保證工作正常進(jìn)行。該月面機(jī)器人設(shè)計中變形輪是主要受力部件,為實現(xiàn)輕量化采用鋁合金材料,輪轂設(shè)計尤為關(guān)鍵。本文使用仿真分析軟件對車輪進(jìn)行強(qiáng)度分析。車輪工作時與地面接觸,其受力情況較為復(fù)雜,結(jié)合機(jī)器人自身重量、變形輪結(jié)構(gòu)特征與月面弱引力場環(huán)境,利用SolidWorks Simulation對車輪連接桿和輪轂進(jìn)行靜應(yīng)力分析。分析結(jié)果如圖3所示,(a)(b)分別表示連接桿和輪轂的應(yīng)力圖。從分析結(jié)果可以得出,輪轂的屈服應(yīng)力為27.57 MPa,從圖3中可以看到連接桿的最大應(yīng)力為17.07 MPa,輪轂的最大應(yīng)力為0.125 MPa。設(shè)計時,考慮到月面環(huán)境的復(fù)雜工況和苛刻的環(huán)境要求,預(yù)留充足的安全裕度,以保證輪轂的強(qiáng)度和剛度滿足實際工作要求。

        2.3 機(jī)器人變形輪越障能力分析

        要提高機(jī)器人的越障能力,則需要從增加機(jī)器人的動力輸入和優(yōu)化機(jī)器人越障結(jié)構(gòu)兩方面出發(fā)。該月面機(jī)器人是通過優(yōu)化越障結(jié)構(gòu)以提高越障能力。對基于變形輪設(shè)計的越障設(shè)計方案進(jìn)行了分析和討論,通過對單級臺階此類典型障礙翻越過程的分析[5],對月面機(jī)器人的越障機(jī)理進(jìn)行闡述。輪子的直徑越大,其越障能力就越強(qiáng),其體積會更大、質(zhì)量更大,但結(jié)構(gòu)不允許,經(jīng)濟(jì)上也不允許。變形輪之所以能夠爬越障礙,就是因為車輪的變形使得爬越障礙的效果跟直徑大的車輪效果相當(dāng)。變形輪在爬越障礙時的受力如圖4所示。

        圖3 變形輪輪轂分析結(jié)果Fig. 3 Analysis result of deformation wheel’s hub

        圖4 變形輪的受力分析圖Fig. 4 Stress analysis diagram of deformation wheel

        在變形輪爬越障礙的靜態(tài)過程中列平衡方程為

        其中:M0為總力矩;G為變形輪重力;L為變形輪中心到臺階的水平距離;FX與FY分別表示水平和垂直方向的力;Fnr為變形輪法向力;Fnt為變形輪切向力。

        根據(jù)平衡方程式(1),可求得變形輪的法向力和切向力分別為

        該月面機(jī)器人的輪轂和障礙物接觸面的摩擦力設(shè)置為f= 0.6。當(dāng)Fnr×f≥Fnt時,變形輪依靠摩擦力越過障礙,此時θ≤ 31°。而在實際情況下,輪轂上的橡膠輪有紋理,使變形輪和障礙物的摩擦力大于計算值,故實際中變形輪可以爬越傾斜度稍大于31°的障礙物。在變形后車輪的直徑D= 600 mm,形成的葉輪角θ小于30°滿足越障要求。通過計算可知,在理想情況下,可以爬越最高300 mm的障礙物。

        3 月面移動機(jī)器人跳躍系統(tǒng)

        通過分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀得知,月面機(jī)器人跳躍系統(tǒng)的整體方案設(shè)計應(yīng)符合以下要求:具有優(yōu)良的跳躍能力,在月球表面的跳躍高度應(yīng)在0.5 m以上;可實現(xiàn)0 ~ 60°起跳角度調(diào)節(jié)范圍;保證騰空和落地時的穩(wěn)定性;月面機(jī)器人傾倒后可自動復(fù)位等[15-16]。

        3.1 機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)設(shè)計

        月面機(jī)器人在巡視探測過程中,將會面對各種各樣的月面地表特征,這就需要改變起跳角度和跳躍高度以跨越不同高度、不同大小的障礙物與隕石坑。表3綜合分析了現(xiàn)有儲能彈簧式、燃爆式及氣動式3種跳躍系統(tǒng)的優(yōu)缺點。儲能彈簧式跳躍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且便于控制,但對機(jī)器人的整體質(zhì)量與體積有一定的要求,當(dāng)整體質(zhì)量過大時彈跳性能較差。燃爆式跳躍系統(tǒng)通過點燃?xì)怏w產(chǎn)生巨大的氣壓驅(qū)動機(jī)器人完成跳躍動作,具有爆發(fā)性強(qiáng)、可復(fù)位且功率較大的特點。但考慮到月面環(huán)境沒有氧氣助燃且燃爆具有一定危險性,所以不適用于月面環(huán)境。氣動式跳躍系統(tǒng)具有能量利用率高、反應(yīng)靈敏及廢氣處理方便等優(yōu)點。與前兩種方案相比氣動驅(qū)動更加方便輕巧,適合應(yīng)用于月球車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域。結(jié)合月球表面特殊的地形地質(zhì)及環(huán)境特點,選擇氣動驅(qū)動方式作為月面機(jī)器人的跳躍系統(tǒng)具有較高的可行性。如圖5所示,跳躍機(jī)構(gòu)固定在主車架上,儲氣瓶是動力源,氣缸為執(zhí)行元件。在越障的過程中會遇到大小不同的障礙物,需要電機(jī)控制曲柄連桿使氣缸傾斜一定的角度越障??紤]到三角形穩(wěn)定性該機(jī)器人采用3個氣缸設(shè)計,使其在跳躍過程中具有良好的起跳穩(wěn)定性。但每次跳躍都會損失一部分氣體,由于月球表面沒有空氣無法為儲氣瓶補充氣體,跳躍次數(shù)是有限的。所以需要使用變形輪越過較為平坦的地形,只有出現(xiàn)極限工況或遇到極端情況時,才啟動使用跳躍系統(tǒng)。

        表3 典型跳躍系統(tǒng)的性能對比Table 3 Performance comparisons for typical jump systems

        圖5 跳躍機(jī)構(gòu)示意圖Fig. 5 Jumping mechanism diagram

        月面機(jī)器人整個跳躍過程如圖6所示,總體分為準(zhǔn)備起跳階段、飛行階段、落地階段3部分。準(zhǔn)備起跳階段(圖6中A所示):電機(jī)驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動氣缸,使氣缸傾斜合適的角度以適應(yīng)不同的障礙物。電磁閥打開通過儲氣瓶給氣缸充氣,氣體膨脹將氣缸桿推出,氣缸桿撞向月面,月面對機(jī)器人產(chǎn)生反作用力,使月面機(jī)器人跳起,跳躍高度可通過電磁閥的工作時間控制。電磁閥工作時間越長,氣缸內(nèi)儲存的氣體越多,則跳躍高度越高(如圖7所示)。飛行過程(圖6中B、C和D所示):起跳完成后,電機(jī)再次驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)使氣缸傾斜一定的角度復(fù)位,避免機(jī)器人落地時與地面接觸損壞氣缸桿,同時打開氣缸排氣口,由于月球表面沒有空氣,氣缸內(nèi)的氣體會由于氣壓高于外界而自動排出,氣缸桿收回氣缸內(nèi)。落地過程(圖6中E所示):落地時,兩個變形輪接觸地面,變形輪表面有減震材料,減震材料接觸月面時產(chǎn)生緩沖效果,避免機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的損壞,保護(hù)機(jī)器人中的精密電子元件和科研設(shè)備。變形輪兩邊的彈性緩沖架結(jié)構(gòu)可以使月面機(jī)器人在側(cè)面傾斜落地時自動恢復(fù)至水平位置。由于該月面機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的重心較低,使其在落地時也可保持較好的穩(wěn)定性。

        圖6 跳躍過程示意圖Fig. 6 Jump process diagram

        圖7 氣缸內(nèi)部受力簡圖Fig. 7 Diagram of the internal forces in cylinder

        3.2 機(jī)器人跳躍能力計算評估

        綜合考慮該月面機(jī)器人的工作環(huán)境、剛度強(qiáng)度與質(zhì)量要求等特征,主體材料選用的是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)6061鋁合金,該月面機(jī)器人主體材料選用6061鋁合金,經(jīng)計算可得跳躍系統(tǒng)的質(zhì)量為5.926 kg,變形輪的質(zhì)量為6.822 kg,因為需要為安裝攝像頭、太陽能電池、電機(jī)等工具預(yù)留出5 kg質(zhì)量,所以月面機(jī)器人的總體質(zhì)量約為18 kg。由于氣缸是產(chǎn)生跳躍的基本裝置,需對其進(jìn)行計算分析。氣缸桿受到壓縮氣體的壓力大小為

        其中:F為氣缸桿受到的壓力大??;P1為氣缸上部分的氣壓;P2為氣缸下部分的氣壓;S為氣缸桿活塞的有效面積。

        月球表面沒有空氣,所以氣缸桿下部分的壓強(qiáng)P2為0。跳躍時與地面的沖擊忽略不計,氣缸桿與地面接觸前后,動能和勢能相互轉(zhuǎn)換且能量是守恒的,可列出方程為

        其中:l為氣缸的有效長度;m為月面機(jī)器人的總重量;v為碰撞瞬間的最大速度;g為月球表面的重力加速度;h為月面機(jī)器人最大跳躍高度;Ek為月面機(jī)器人落地時的最大動能。

        通過計算可得最大的跳躍高度h= 0.96 m,跳躍后落地時的最大速度v=5.66 m/s,相當(dāng)于在地球上從0.16 m的高度落下,變形輪上的減震裝置完全可以使月面機(jī)器人內(nèi)零部件不受損害。代入相關(guān)的參數(shù),計算可得最大的跳躍高度h= 0.96 m。

        4 結(jié) 論

        本文提出了一種基于變形輪越障與氣動跳躍相結(jié)合的月面移動機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計方案,此機(jī)器人在高效行走巡視探測的同時,兼顧了優(yōu)異的越障性能。機(jī)器人的變形輪不但可以用于平坦地形的高效行走,跨越月球巖塊等較為低矮的障礙物,其跳躍系統(tǒng)還可用于跨越使用變形輪也無法通過的障礙,最大跳躍高度可達(dá)0.96 m,可跨越諸如小隕石坑等大多數(shù)的月面障礙物。

        本文提出的月面移動機(jī)器人不僅具有輪式機(jī)器人移動速度快、穩(wěn)定性好的特點,而且有著很強(qiáng)的爬坡和越障能力,可適應(yīng)地形復(fù)雜的月面環(huán)境。如果搭載上攝像機(jī)、傳感器等功能模塊,可成為進(jìn)行月面巡視探測的重要工具,在月面探測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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