八轮星球探测车可展开移动系统设计[仿真]【含CAD高清图纸和说明书】
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浙江理工大学本科毕业设计(论文)开题报告班 级09机械设计制造及其自动化(4)班姓 名程欣禹课题名称八轮星球探测车可展开移动系统设计目 录1 选题的背景与意义1.1 国内外研究现状和发展趋势1.2 星球车可展开移动系统概述1.3 星球车空间可展开机构概述1.4 八轮星球探测车研究意义2 研究的基本内容2.1 八轮星球探测车整体的结构设计2.2八轮星球探测车可展开移动系统的参数设计2.3八轮星球探测车可展开移动系统三维仿真3 研究方案、可行性分析及预期研究成果3.1 研究思路方案3.2 可行性分析3.3 预期研究成果4 研究工作计划参考文献成绩:答 辩意 见 答辩组长签名: 年 月 日系主任审核意见签名: 年 月 日八轮星球探测车移动系统的设计与分析程欣禹(机械设计制造及其自动化09(4)班 A09160119)1 选题的背景与意义月球是距离地球最近的自然天体,蕴藏大量的矿产资源,是人类飞离地球进行深空探测的第一站,也是理想的天然空间中转站。月球所具有的巨大经济、政治和军事价值使得月球探测成为人类一直关注的焦点1。星球车是月球探测中的重要媒介之一,已经成为全世界广泛研究的热点。移动系统作为星球车整体系统的关键部分,其性能的好坏直接影响整个探测任务的成败2。20世纪90年代产生的以空间机构的折叠、伸展、组合为主要研究内容的 “变胞机构”等机构学研究最新成果,为星球车可展开移动系统关键技术的研究奠定了理论基础,但这方面的理论研究尤其是工程应用还有待于完善和发展3。由于航天器运载技术和发射费用的限制,在具有良好的环境自适应能力的前提下,体积小、质量轻成为星球车研制的主要技术指标。因为减小星球车的体积,不仅可以减小其运载火箭的体积和质量,节省推动力,降低发射成本,而且对提高发射的可靠性意义重大。而星球车体积小却意味着其所搭载的仪器设备数量将减少,其直接效果是降低星球车的探测能力。因此,如何使星球车在满足预期的探测功能的前提下,尽可能少的占用运载器的有效载荷空间是一个很值得研究的课题。1.1 国内外研究现状和发展趋势自20世纪60年代以来,以美国、俄罗斯、法国、日本等发达国家为首,各国科研机构纷纷进行各种类型行星车的研制,有的甚至已进入实用化、商品化阶段,如“勇气号”火星车。在国内,清华大学、哈尔滨工业大学4、国防科技大学、北京航空航天大学、上海交通大学、华中科技大学和航天科技集团502所等高等院校及科研院所相继开展了这方面的研究工作5。迄今为止,国内外研究人员从行星车移动系统的越障性能、地形适应能力、能耗等要求出发,研制出各类行星车移动系统产品及样机多达四十余种。根据移动系统的体积大小不同,可分为微型、超小型、中型及大型等四类。根据操纵控制方式不同,可分为有人驾驶、无人驾驶远程遥控两类。根据移动方式不同,可分为履带式、腿式、轮式、轮腿式等几类6,由于轮式移动系统具有运动速度快的优点,故得到了广泛研究。随着各种悬架的出现,其越野能力已大大增强,可以与腿式移动系统相媲美27。以下根据不同部位可展开轮式移动系统进一步分类。1.2 星球车可展开移动系统概述1.2.1 整体可展开移动系统整体可展开移动系统以三轮移动系统为主,由于三个车轮联接于同一个悬架,移动系统的折叠与展开需整体进行。具有代表性的有日本NASDA和东京工业大学联合开发的Tri-star2,它采用轴环和可压缩轮结构,具有较强的机动性,其体积折叠比可达到373%。移动系统整体展开的还有美国国家技术标准局 (NIST)研制的索缆并联机器人RoboCrane9。该移动系统由三组索杆铰接在一个Stewart平台上形成,索杆可代替动力源驱动形成移动框架。通过索缆的顺序张紧与释放,改变索杆和车轮间相对位置,可最终完成折叠与展开功能。 1.2.2 底盘可展开移动系统美国CMU研制的Nomad10是一种底盘可变形的四轮行星车。它采用前苏联的自包含电动轮模块概念、Rocky系列的转向节悬挂机构、显式转向连杆机构和LRV的自动轮距扩展概念,利用均化悬挂系统平滑车体相对于车轮的运动,保证在各种地形情况下四轮都能同时着地。当底盘完全展开时所占的包络空间可比其折叠状态时增加35%,这种展开功能使底盘具备超越其装载结构20%的静稳定性。其底盘主要通过两个四杆机构进行变形,当底盘展开时四杆机构变成一个菱形,当底盘收缩时四杆机构则变成一条直线,每组四杆机构具有独立的驱动装置。1.2.3 悬架可展开移动系统悬架可展开移动系统通过独立悬架机构的折叠与展开实现体积变化,具有结构相对简单的特点。该类型移动系统在美国JPL研制的“Sojourner” 及“Spirit”上得到了成功应用11。其中“Sojourner”折叠收拢时采用蹲坐的方式,通过将摇臂杆在与车体连接的枢轴处分为两部分实现。车体站起时,其它车轮不动,后轮被驱动向前,车体被拱起达到要求高度时,弹簧捕捉机构将其锁定,使整车处于可工作状态。“Spirit”火星车的折叠、展开与“Sojourner” 有很多不同,它可实现长、宽、高三方向的折叠与展开。“Spirit”悬架的折叠主要通过悬架各构件间相对位置的改变来实现,参与折叠的构件包括后副摇臂(Aft Bogie)、前副摇臂(Forward Bogie)、 副摇臂铰轴(Bogie Pivot)、后主摇臂(Aft Rocker)、主摇臂转动副(Rocker-Bridge Joint)、前主摇臂(Forward Rocker)、主摇臂展开驱动电机(Rocker Deployment Actuator)七部分。当“Spirit”折叠时,后副摇臂沿着滑道缩入前副摇臂,使中轮与后轮的轮距缩小,从而减小整车长度尺寸;后主摇臂通过副摇臂铰轴及主摇臂转动副分别与副摇臂及前主摇臂发生相对转动,实现车体的蹲伏,缩小整车高度尺寸;前主摇臂绕主摇臂转动副转动,使车轮转向内侧,减小车体前端宽度尺寸。 1.2.4 车轮可展开移动系统可展开车轮在国内外的研究均较少,60年代美国设计了一种圆规腿步行轮12,它通过多种传感器获得车辆的位姿信息,由计算机控制参数的变化,能完全补偿步行轮的多边形效应,并能在步行轮和普通轮之间转换以适应地面的坡度、越过障碍并保持行驶平顺性。在国内,北航研制出一种可重复展开式车轮,与圆规腿步行轮工作方式相仿,这种车轮在星球车移动过程中可根据控制系统发出的指令展开与折叠。哈尔滨工业大学机电工程学院在可展开式车轮上,进行了初步的研究,研制出几种可展开式车轮。1.3 星球车空间可展开机构概述可展开式星球车在地面上被收拢成折叠状态,固定于运载工具的有效载荷舱内,随着陆器降落到月面后,根据地面的控制指令逐步完成展开动作,然后锁定并保持为移动系统工作状态,属于一种特殊的空间可展开机构。1.3.1 空间可展开机构研究现状20世纪60年代可展开机构的概念最初在建筑领域被提出,并得到成功应用。随着航空航天技术的发展,以太空应用为背景的空间可展开机构得到广泛的研究与应用。空间可展开机构的主要形式包括太阳帆板、伸展臂、空间可展开天线、空间操作平台、雷达定位杆、空间望远镜调焦机构、空间望远镜展开镜面机构等,其中大型展开天线和太阳帆是大型空间可展开机构研究最活跃、深入的领域。20世纪70年代后期美国航天局(National Aeronautics and Space Administration)在其近期、远期发展规划中提出了各种形式的展开天线13,并对其概念设计、分析理论方法、具体应用设计技术开发进行了系统深入的研究。俄罗斯宇航局也在可展开机构设计发展应用上做出了卓越贡献,尤其在“和平号”空间站上。剑桥大学与欧空局共同建立了可展开机构实验室,对可展开机构进行理论研究及应用。同时欧空局在其卫星发展计划中也对可展开机构技术进行了深入的研究。日本宇宙科学研究所(ISAS)和日本宇航中心(NASDA)以及加拿大和印度等国在展开折叠技术研究应用上纷纷发展了自己的技术。我国对空间可展开机构的研究起步较晚,具有代表性的是浙江大学关富玲教授领导的课题组,对伸展臂及空间可展天线等在设计原理、运动规划、静力分析、动力分析、机构设计等方面进行了研究及实验14。1.3.2 空间可展开机构的分类目前空间可展开机构还没有统一的分类原则,可以按展开动力、结构型式、展开顺序等多种方式进行分类。如按照折叠机构组成单元类型可分为杆系单元、板系单元,而杆系单元又可分为剪式铰单元与伸缩式单元;依照机构展开成型后的稳定平衡方式可分为自稳定可展开机构与附加支承可展开机构;而按展开驱动方式进行分类最为详细,包括下面五种情况15。1.3.2.1微电机驱动利用电机驱动主动件或者是通过传动使机构展开。根据机构的要求和形式的不同,电机的分布方式也不尽相同,主要有分散布置和集中布置两种方式。采用微电机驱动时,在设计中要考虑是使机构整体展开还是使其逐级展开。如环柱状天线(Hoop Column Deployable Antenna)采用整体展开,通过中心电机驱动环向索带动各个肋支座转动从而使机构整体展开。1.3.2.2 弹簧驱动弹簧种类很多,包括拉压簧、扭簧、蝶簧、塔簧等。在可伸展机构中,主要使用拉压簧和扭簧。如果在机构接点或杆件中点安放弹簧,在折叠过程中,弹簧存储了一定的应变能,当机构解锁后,应变能释放,驱动机构整体展开。美国ABLE公司的Coilable天线属于弹簧驱动。对于拉压簧驱动,在需要变化长度的杆件中间设置拉伸弹簧,机构处于收纳状态时,弹簧处于拉伸状态而存储弹性能量,当机构解锁后,拉伸弹簧的收缩驱动机构展开,应用广泛的自适应可展机构采用的就是这一展开方式。对于扭簧驱动,在机构的节点或杆件中点处按特定要求设置扭簧,机构处于收纳状态时扭簧受预紧力存储弹性变形能,当机构解锁后扭簧释放弹性能量,驱动机构同步展开。大型桁架机构多采用这种方法,如俄罗斯研制的TKCA系列,美国NASA研制的Geo Truss和Pac truss以及常见的太阳帆板。1.3.2.3 液压或气压驱动这里所指的有两种情况,一种是指机械范围内的驱动,通常由液压或气压系统推动杆件或构件运动,从而带动整个系统伸展。另一种是充气膜结构,该结构以柔性薄膜材料制造,内部为空腔,通过向结构内部充入气体而使结构膨胀展开,生成预先设计的形状,并实现其功能要求。为了增强结构的可靠性,在展开后一般还需进行结构表面的固化工作,以防止结构因漏气而影响工作性能。目前折叠/展开方式主要有3种:Z形折叠/展开、卷曲式折叠/展开以及喷出式折叠/展开。20世纪90年代以来,国际上对充气膜结构的研究开始升温。目前对充气太空结构的研究主要集中在通讯卫星、空间站、深空探测、火星计划等领域。美国宇航局还为充气膜结构的研究制订了中长期计划。中期计划包括发展太阳帆板、天线、太阳防护罩、太阳阵列以及工业雷达结构技术;长期计划包括将充气天线及太阳帆板应用于实际,以及发展Gossamer充气太空船技术等。1.3.2.4 自伸展驱动机构的一部分构件、某些特定构件的中点或整个机构由记忆合金等特殊元件或特殊材料做成,使其在特定环境下可按设计要求自动展开,如美国NASA JPL和MIT开发的整体展开应用技术。另外充气硬化机构也是一种自伸展机构,其在一定的环境条件下会自动展开。1.3.2.5 混合驱动 有些可展机构的展开和收拢过程需要以上两种或者几种方式联合起来进行驱动。1.4 八轮星球探测车研究意义本课题主要进行八轮扭杆摇臂式星球车可展开移动系统关键技术的研究。其研究成果对于星球车可展开移动系统的进一步研制乃至其它空间可展开机构应用技术的研究均具有一定的借鉴意义。2 研究的基本内容本次毕业设计中主要完成的内容包括:1)八轮星球探测车整体的结构设计对八轮扭杆摇臂式星球车可展开移动系统进行设计,包括车轮部件、悬架部件及悬架展开动力源。根据车轮部件独立驱动、独立转向的功能要求,进行驱动传动装置及转向装置的设计,同时采用可展开车轮新构型设计相应的轮辐结构。2)八轮星球探测车可展开移动系统的参数设计根据八轮扭杆摇臂星球车车型特点,建立了由结构尺寸参数表征的越障通过性能参数表达式,对移动系统的越障通过性能进行了全面分析。在此基础上,求解并确定了主要结构尺寸,保证了所设计星球车的越障性能。3)八轮星球探测车可展开移动系统三维仿真通过建立的三维模型,对展开过程进行仿真。3 研究思路方案、可行性分析及预期成果本设计论文拟采用理论分析与三维建模与仿真实验的方法,在前人的基础上,通过三维Pro/E环境完成八轮星球探测车的设计仿真,并对其进行初步的运动学分析。3.1 研究思路方案具体思路方案包含以下三个方面:3.1.1 根据月球表面情况对八轮星球探测车进行结构设计包括整体可展开移动系统、底盘可展开移动系统、车轮可展开移动系统,基于以上理论可进行对八轮星球探测车机构原理分析。3.1.2 八轮星球探测车Pro/ E三维建模目前,随着计算机辅助技术的不断发展,三维造型软件功能不断完善,传统的二维设计正逐渐被三维实体设计所代替。Pro /Engineer是美国PTC公司于1988年开发的参数化设计系统,是一套由设计至生产的机械自动化的三维实体模型(3DS)设计软件,它不仅具有CAD 的强大功能,同时还具有CAE 和CAM 的功能,广泛应用于工业设计、机械设计、模具设计、机构分析、有限元分析、加工制造及关系数据库管理等领域。而且能同时支持针对同一产品进行同步设计,具有单一数据库、全相关性、以特征为基础的参数式模型和尺寸参数化等优点。采用三维CAD 设计的产品,是和实物完全相同的数字产品,零部件之间的干涉一目了然,Pro/Engineer 软件能计算零部件之间的干涉和体积,把错误消灭在设计阶段9。运用Pro/ E三维设计平台,通过对特征工具的操作,避免高级语言的复杂编程,所开发设计出来的八轮星球探测车,便于研究人员通过对界面特征工具的操作,生成八轮星球探测车实体模型,甚至输出所需要的工程图及相关分析数据。这样既可辅助研究人员完成其设计构思、减轻劳动强度、提高效率和精度、改善视觉的立体效果,并可有效地缩短研制周期,提高设计制造的成功率;也为后续的3D运动学仿真分析奠定了基础。3.1.3 八轮星球探测车Pro/ E运动学仿真分析运动仿真是机构设计的一个重要内容, 在Pro /E的Mechanism模块中,通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来,来实现机构的运动仿真。通过仿真技术可以在进行整体设计和零件设计后, 对各种零件进行装配后模拟机构的运动, 从而检查机构的运动是否达到设计的要求, 可以检查机构运动中各种运动构件之间是否发生干涉,实现机构的设计与运动轨迹校核。同时, 可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。在Pro /E环境下进行机构的运动仿真分析,不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程,而是以实体模型为基础,集设计与运动分析于一体,实现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况。本次毕业设计以PTC公司的三维建模软件Pro/E及其中的运动学仿真功能建立八轮星球探测车的运动仿真模型。首先在Pro/E中建立八轮星球探测车的三维CAD模型,然后完成八轮星球探测车的装配,设置机构运动的初始位置,添加驱动和约束,进行运动仿真。在整个过程中,需要对建立模型等前续工作进行不断的修改和完善,才能生成所要求的八轮星球探测车的仿真模型。3.2 可行性分析移动系统的结构设计和研究是星球车方面研究的基础。因此,对具有理想结构的星球车移动系统进行运动学和动力学、控制理论、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意义的。因此,要进行星球车移动系统的结构设计研究,从几何、运动学、动力学及结构关系等不同角度对多指灵巧手进行研究, 使星球车能完美的在星球表面上运动。在前人研究工作基础上,本设计论文进行欠驱动多指手设计与仿真,在基本原理上是可行的。本设计的工作主要涉及力学、机械原理和机械设计等方面的知识,以及Pro/ E设计工具,本人已学习了这些相关课程,并取得了较好的成绩,掌握了本设计所需的基本知识。指导老师在星球探测车的相关研究方面具有很多成功的经验,本设计的研究方法思路经过深思熟虑,切实可行,能够确保毕业设计的顺利完成并取得预期的研究成果。3.3 预期研究成果设计出八轮星球探测车,完成三维建模。通过仿真分析,保证设计能较好的满足设计要求。 研究工作计划起止时间内容2012.11.152012.12.10调研、信息汇总,文献查阅分析2012.12.102012.12.31外文翻译、文献综述、开题报告,并熟悉理论力学、机械原理等相关知识2013.01.012013.01.10提交开题报告、文献综述及外文翻译2013.01.112013.01.20开题答辩2013.01.212013.03.01八轮星球探测车移动系统的整体方案设计2013.03.022013.03.28八轮星球探测车移动系统的结构设计及零部件设计2013.03.292013.04.11三维CAD建模、装配、三维运动学分析仿真2013.04.122013.04.24结构改进设计及毕业论文撰写2013.04.252013.05.02完成并提交毕业论文2013.05.032013.05.10整理材料准备答辩参考文献1 邹永廖,欧阳自远,李春来. 月球探测与研究进展.空间科学学报. 2000,20(10):93-1032 李圣怡,戴一帆,刘阳. 月球火星探测与月球探测车研制初探. 第二届月球探测技术研讨会论文集. 北京, 2001:146-1553 李瑞玲,丁希仑,战强,等变胞机构的机构学理论及在航天中的应用2002 International Symposium on Deep Space Exploration Technology and Application, 2002,8: 230-2364 邓宗全,胡 明,高海波,等. 月球探测车关键技术及其原理样机的研制. 2002年深空探测技术与应用科学国际研讨会. 青岛,2002:29-355 胡群芳, 陈永杰. 中国掀起星球车研制热. 深空探测研究.2004, 2 (3): 3-4.6 刘方湖,陈建平. 行星探测机器人的研究现状和发展趋势. 机器人. 2002,24(3):268-274.7 Apostolopoulos, Dimi. 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