空间探测机器人移动机构及系统研究

论文摘要

未来的空间探测任务要求机器人系统能够在预先未知或非结构化的环境中执行变化的任务,机器人移动平台应具备良好的几何通过性、越障性、抗倾覆性、行驶平顺性、牵引控制特性和能耗特性。轮式移动机器人具有结构简单、质量轻、高速高效、实用等优点,国内外空间探测机器人的研究以轮式机器人为主。论文以轮式空间探测机器人为研究对象,通过对空间探测机器人移动机构的创新设计、综合评价与优化理论和方法,双曲柄滑块探测机器人的设计、分析与样机研制,主动自适应悬架机器人的配置模型和主动配置方法等关键技术的研究,在移动机构创新设计及理论、高性能月球探测机器人研究方面取得一些进展,为我国月球探测机器人研究提供技术支持和高性能移动平台。本文的主要工作和成果如下:1、提出了基于构形组合的空间探测机器人设计方法。将轮式空间探测机器人视为由轮系、悬架和车体三类子构形组合而成的多体系统,提出同构组合和异构组合两类设计模式。通过分析国内外经典空间探测机器人构形和构形创新,抽象得到4种轮系构形、5种悬架构形和5种车体构形。以四轮、六轮和八轮空间探测机器人为研究对象,采用基于构形组合的空间探测机器人设计方法,得到70种新型同构组合空间探测机器人移动机构和165种新型异构组合空间探测机器人移动机构。2、通过分析空间探测机器人的移动性能需求,建立了空间探测机器人的移动性能评价模型。移动性能的主要评价指标包括:地面自适应性、行驶平顺性、越障爬坡性能、抗颠覆能力、转向灵敏度等。该评价模型的提出,可为空间探测机器人的评价与优化提供依据。3、开展空间探测机器人综合评价与优化方法研究,建立了一个基于虚拟样机的空间探测机器人综合评价与分析平台。平台通过建立参数化的构形库,支持模块组合、模块创新和模块替换三种空间探测机器人设计模式,极大地提高了虚拟样机建模效率和建模精度。平台可从机械系统和控制系统两方面对空间探测机器人进行分析,得到优化的结构参数和控制软件。4、提出了一种六轮月球车双曲柄滑块联动悬架系统,对其结构和原理进行介绍,并建立了参数化的虚拟样机模型。基于空间探测机器人移动性评价模型,对双曲柄滑块探测机器人和六轮摇臂探测机器人的各项移动性能分别进行了仿真、分析和优化,得到了两种探测机器人的优化参数。基于一致性假设条件,采用虚拟样机技术分析比较了二者的移动性能差异。仿真结果显示:双曲柄滑块探测机器人的平顺性、地面适应性、转向灵敏度优于六轮摇臂探测机器人,越障性能与六轮摇臂探测机器人相当,抗倾覆性不如六轮摇臂探测机器人。因此,得到双曲柄滑块探测机器人的总体性能优于六轮摇臂探测机器人结论。5、研制了双曲柄滑块探测机器人物理样机,样机机电系统采用模块化设计,维修性和可靠性能得到保证。室内测试和场地试验表明,双曲柄滑块探测机器人的主要移动性能指标(速度0.1m/s,越障0.20m,爬坡30o)基本满足探月需求。需要进一步研究和分析的内容是提高月球探测机器人对月球环境的适应能力,包括机械系统的质量、结构和材料、电子系统的抗辐射和抗干扰等。6、针对双曲柄滑块等自适应悬架机器人的不足,结合主动悬架机器人和自适应悬架机器人的优点,首次提出了主动自适应悬架机器人的概念和原理样机。以六轮摇臂主动自适应悬架机器人为对象,进行了虚拟样机分析与仿真。结果表明,主动自适应悬架机器人的综合移动性能得到极大提高。主动自适应悬架机器人的提出,为月球探测机器人的研制提供了一种有效的解决思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国外空间探测机器人研究概况
• 1.2.1 轮式机器人
• 1.2.2 其它类型
• 1.3 国内空间探测机器人研究概况
• 1.4 空间探测机器人需要进一步研究的问题和发展趋势
• 1.5 本文的研究内容与组织
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 论文组织
• 2 基于构形组合的空间探测机器人移动机构设计方法
• 2.1 引言
• 2.2 基于构形组合的移动机构设计
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 基于构形组合的移动机构设计
• 2.3 移动机构的基本构形分析与设计
• 2.3.1 轮系构形
• 2.3.2 悬架构形
• 2.3.3 车体构形
• 2.4 移动机构创新设计实例与分析
• 2.4.1 子构形同构组合
• 2.4.2 子构形异构组合
• 2.5 小结
• 3 空间探测机器人移动性评价模型及虚拟样机分析方法
• 3.1 引言
• 3.2 轮式空间探测机器人移动性评价数学模型
• 3.2.1 几何通过性
• 3.2.2 地面自适应性
• 3.2.3 牵引控制特性
• 3.2.4 能耗特性
• 3.2.5 抗倾覆性
• 3.2.6 行驶平顺性
• 3.2.7 操纵稳定性
• 3.3 空间探测机器人移动性评价与优化的一致性假设
• 3.4 基于虚拟样机的移动性评价与分析方法
• 3.4.1 虚拟样机技术概述
• 3.4.2 基于虚拟样机的移动性能评价与综合分析平台
• 3.4.3 基于虚拟样机的移动性能评价与综合优化模式
• 3.5 小结
• 4 双曲柄滑块月球探测机器人建模与优化
• 4.1 引言
• 4.2 月球环境特点及其对探测机器人的性能需求对移动机构的影响
• 4.3 双曲柄滑块探测机器人结构与原理
• 4.3.1 结构特点
• 4.3.2 地面自适应和越障原理
• 4.4 双曲柄滑块探测机器人建模
• 4.4.1 轮系建模
• 4.4.2 悬架建模
• 4.4.3 车体建模
• 4.4.4 整车模型
• 4.5 双曲柄滑块探测机器人参数优化
• 4.5.1 单个设计变量的参数优化
• 4.5.2 多个设计变量的参数优化
• 4.6 小结
• 5 双曲柄滑块探测机器人与六轮摇臂探测机器人的分析与比较
• 5.1 引言
• 5.2 六轮摇臂探测机器人的建模与参数优化
• 5.2.1 六轮摇臂探测机器人建模
• 5.2.2 六轮摇臂探测机器人的参数优化
• 5.3 两款探测机器人的移动性能分析与比较
• 5.3.1 越障爬坡能力比较
• 5.3.2 抗倾覆性仿真比较
• 5.3.3 平顺性仿真比较
• 5.3.4 地面适应性仿真比较
• 5.3.5 操纵稳定性仿真比较
• 5.4 小结
• 6 双曲柄滑块探测机器人样机研制
• 6.1 引言
• 6.2 双曲柄滑块探测机器人样机简介
• 6.2.1 机械与电子系统
• 6.2.2 控制系统与软件
• 6.3 场地试验
• 6.4 小结
• 7 研究展望—主动自适应悬架机器人
• 7.1 引言
• 7.2 主动自适应悬架机器人的概念
• 7.3 主动自适应移动机构构形设计
• 7.3.1 悬架构形
• 7.3.2 车体构形
• 7.3.3 六轮摇臂主动自适应悬架机器人
• 7.3.4 双曲柄滑块主动自适应机器人
• 7.4 主动配置建模与配置方法
• 7.4.1 移动性综合评价模型
• 7.4.2 主动配置模型
• 7.4.3 主动配置方法
• 7.5 虚拟样机仿真与分析
• 7.6 小结
• 8 总结
• 8.1 全文总结
• 8.2 进一步的研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表主要论文目录
• 附录2 同构组合四轮移动机构
• 附录3 同构组合六轮移动机构
• 附录4 同构组合八轮移动机构
• 附录5 异构组合四轮移动机构
• 附录6 异构组合六轮移动机构
• 附录7 异构组合八轮移动机构