本文根据六轮摇臂式月球探测车的结构特点,以闭链坐标变换和瞬时重合坐标法为基本工具,详细推导了六轮探测车的正、逆运动学模型,分析了相关的运动学特性;在运动学建模与分析中,将车轮滑移单独提取出来考虑,给出了滑移量的估算方法。本文的研究结果为六轮月球探测车的结构分析与运动控制提供了有力的基础。

月球探测车在月表松软土壤上的动力学比较复杂,为保证探测车的安全运行,需采用协调驱动控制策略。本文根据探测车在松软土壤上行驶的动力学特性,研究了基于车轮滑转率的协调驱动控制问题。针对普通变结构控制中存在问题,采用模糊逻辑思想,提出了模糊趋近律控制方法。将该方法用于月球探测车的协调驱动控制仿真中,获得了良好的性能。

根据半转机构原理,设计了一种新型的轮腿式月球探测车,其移动机构由车体支架、4个结构相同的轮腿及转向支架3部分构成。轮腿采用二级半转机构,由电机独立驱动和转向,通过2个串联的行星轮系来传递驱动力矩。并从路面适应性、转向灵活性、车身起伏度、地面几何通过性、抗侧倾能力和垂直越障能力等方面分析了该月球探测车的移动性能。分析表明,该探测车适合在高低起伏的月球表面环境行走。

针对六轮月球探测车的协调驱动控制问题,提出一种间接模糊自适应控制设计方案。基于Lyapunov方法,证明所设计的控制方案不但能使跟踪误差收敛到原点的小邻域内,而且通过适当增大设计参数的值,可减小跟踪误差,从而提高控制精度。通过对月球探测车的协调驱动控制的仿真研究验证了此方法的有效性。

简述当前国内外探月研究进展及月球探测(车)机器人研究发展情况。基于月球的复杂环境特征,对比轮式运动与步行式运动月球探测(车)机器人的优势与缺陷,重点介绍了一种新型六轮腿式月球探测机器人方案。该方案具有高机动性,越障能力强,容错性好等特点,对该方案主要技术性能、本体结构、运动系统、轮腿切换机构工作原理等关键技术进行了探讨。

设计了一种车轮直径可变的月球探测车,由装在轮毂内的电机驱动车轮收缩和张开,车轮直径变化范围为200～390 mm。应用地面力学方程和月球表层土壤(以下简称月壤)参数计算预测了车轮的挂钩牵引力。并由探测车的准静态力学方程得到了车轮的越障阻力,提出了一种新的算法,考虑后轮和松软路面的作用,得到了前车轮最大越障高度与车轮直径变化之间的关系。分析表明,可变直径车轮使月球探测车具有更好的通过性能。

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。

针对月球探测的特殊要求,设计了具有滚动扭转转向特性的四轮直径可变月球探测车.通过对可变直径轮的原理进行分析,推导出车轮等效半径的公式.根据该月球探测车的结构特点,以闭链坐标变换和瞬时重合坐标法为基本工具,推导了四轮可变直径轮月球车基于三维地形环境的正、逆运动学模型,分析了相关的运动学特征,提出了运动学逆解的理论解法和实用解法.实用解法有效地降低了计算量.并提出了用车轮等效半径调整探测车辆俯仰角度的方法,提高了月球车的稳定性和通过性能.该研究结果为四轮月球探测车的结构分析与运动控制提供了有力的基础.

针对月球的复杂地形环境,利用多体系统动力学的理论,将月球探测车作为一个多刚体系统,对其进行动力学分析,建立了软地面环境下的月球探测车动力学模型。并利用ADAMS软件对所建立的动力学模型进行求解和仿真分析,为月球探测车控制系统的设计与数值计算提供了理论依据。

为评价6轮摇臂-转向架式月球探测车的地面通过性,分析了其失去越障通过性的类型,确定了通过性几何参数,推导了失去通过性的条件,包括车身悬起和越过垂直障碍失去通过性的条件,由此对越过壕沟失去通过性的条件进行了分析,确定了月球探测车悬起失效、越过垂直障碍、跨越壕沟的极限尺寸,并给出了运用ADAMS软件仿真越过垂直障碍过程时各车轮所受正压力曲线.最后,对探测车原理样机的地面越障通过性进行了模拟实验.