研究了月球车六轮摇臂转向架机构的优化设计问题。在分析了月球车移动机构行走及越障等任务要求的基础上,提出了摇臂转向架机构的性能评价指标,包括4个方面。针对性能评价指标,对月球车摇臂转向架机构进行了多目标优化设计。仿真实验表明采用优化设计得出的机构参数可以有效地提高月球车移动机构的行走及越障性能,为车体的机构系统设计提供理论依据。

为满足月球车能耗低、重量轻的使用要求,基于月球车的越障工况,以各驱动电机能量消耗为目标函数,对月球车的摇臂悬架参数进行了优化,并建立了摇臂悬架参数模型。分析了月球车越障通过性条件,建立了悬架参数多目标优化的数学模型。采用极大极小值法,将多目标函数统一成单目标函数,利用序列二次规划法(SQP)进行优化分析,得到了悬架参数的优化值。结果表明,越障时电机能量消耗明显降低。

为了减小摇臂式月球车在崎岖不平的月球表面上行进时车体位姿的变化,给车载科学仪器提供稳定的移动工作平台,对悬架结构参数进行了优化.在对摇臂悬架简化的基础上,定义了悬架的运动学参数,用坐标变换法建立了摇臂月球车的运动学模型,得到了以悬架运动学参数表示的车体位姿方程.以车体位姿中的垂直位移和俯仰角的变化为多目标函数,悬架结构参数为设计变量,建立了多目标优化数学模型,并利用MATLAB优化工具箱进行了优化求解.采用ADAMS软件进行了仿真分析,结果表明,优化后摇臂式月球车车体位姿的变化明显减小.

以被动关节式地形自适应月球车为研究对象,融合关节机器人D-H坐标建模方法构建了月球车悬架运动学模型和以侧倾、俯仰和偏转角表示姿态的欧拉角方式建立了车轮到世界坐标系的悬架完整表达模型。利用悬架完整表达模型,用带有迭代因子的连续迭代和离散迭代数值求解方法,建立了光滑和离散崎岖地形姿态估计算法。最后以8轮扭杆双摇杆摇臂月球车原理样机为例来验证此模型求解方法。仿真结果验证了所建立的基于数值方法的崎岖地形被动关节式月球车姿态估计模型的正确性,其求解模型精度能够满足仿真要求。

根据月球车探测任务的要求和探测地点,分析了设计月球车悬架的方法以及建立悬架设计基本参数选取的方法.从牵引力角度来着重设计悬架及其主要构件,根据月球车的牵引性能取决于土壤的推土阻力和运动阻力,提出了悬架设计的概念设计原则,利用经典的地面力学理论和车辆设计方法构建了月球车悬架设计的概念设计方法.最后利用该方法设计并提出一种新型的月球车悬架构型.通过仿真和实验验证:设计的悬架能够满足设计要求以及概念设计方法的合理性和有效性.

月表行驶环境恶劣,这对月球车移动系统提出了更高的要求。为提高月球车的移动能力,提出一种具有高通过性和载荷平台平稳性的新型月球车移动系统。该移动系统由正反四边形机构悬架和伸缩叶片复式步行轮组成。正反四边形悬架是一种适用于六轮月球车的非独立悬架,通过与摇臂式悬架进行受力和姿态运动的对比分析和仿真对比分析可知,它可以使月球车具有较高的越障性能并在越障过程中保证载荷平台的相对平稳。同时,针对不同松散程度的月壤,根据车轮-土壤力学原理,设计出伸缩叶片复式步行轮。该种车轮最突出的特点是能够根据车轮与土壤间的相互作用关系,自适应调节叶片入土深度,从而改变车轮的牵引能力、平顺性和能耗。对该种移动系统进行多项移动性能试验,结果表明,该种新型移动系统具有较高的越障能力和保持载荷平台平稳能力,能够在恶劣路况下最大限度的发挥车轮的牵引能力,而且在路面通过性良好时尽可能的节约能耗,增加车轮滚动的平顺性。

提高整车质量在各轮上分配的均匀性,可提高驱动电动机驱动功率的一致性;提高悬架被动适应松软复杂地形能力,可提高其稳定性和越障能力。因此,对八轮月球车被动适应地形的悬架进行拓扑结构综合,确定两种可用的八轮悬架构型,并对这两种悬架构型进行双侧车轮同时跨越垂直障碍、适应曲面地形和车体运动平稳性仿真分析。根据分析结果,确定适合的八轮月球车悬架构型,针对这种八轮月球车移动系统的组成和工作原理进行了论述。利用ADAMS软件对悬架结构参数进行优选,在此基础上进行悬架和差动装置的结构设计,并加工出原理样机。对原理样机进行爬坡、越障等性能试验,试验结果表明:各轮载荷分布较均匀,适应地形能力强,能够爬上坡度为22°的松软沙地,越过200mm高的障碍。

为提高探测车的越障性能,在已有六轮摇臂式月球探测车的准静力学模型的基础上,分别建立了探测车两个前轮、中轮和后轮单独爬越垂直障碍的准静力学模型,并将越障过程中的摇臂摆角引入模型。以此模型为基础、以最大越障高度为目标函数,对探测车的摇臂式悬架尺寸进行优化,实现探测车越障性能的提高。利用Adams对优化结果进行仿真验证,验证准静力学模型准确性和优化结果的正确性。