康程鵬,孫銀健,王艷坤

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程系，湖北 十堰442002）

隨著人類科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)月球的探索也逐漸地深入，尤其最近幾年中國(guó)航天技術(shù)更是突飛猛進(jìn)，探索月球的步伐也不斷加快。本文基于Inventor三維設(shè)計(jì)軟件所建立的探月小車模型，介紹了一種輪腿混合式探月小車的創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)。

1 探月小車的總體設(shè)計(jì)

小車在運(yùn)輸時(shí)收緊狀態(tài)如圖1所示。通過(guò)結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)和各部件的合理布局，小車在收緊狀態(tài)下小巧玲瓏。太陽(yáng)能電池板通過(guò)10塊三角形電池板板組裝在一起，收緊時(shí)呈頂蓬狀，將承載平臺(tái)上的工作儀器完全包裹，輪腿行駛結(jié)構(gòu)蜷縮，探測(cè)機(jī)構(gòu)收緊在車身內(nèi)。這樣大大縮小了運(yùn)輸空間，節(jié)省了運(yùn)輸成本。

圖1 月球車運(yùn)輸時(shí)收緊狀態(tài)

圖2 月球車工作時(shí)展開(kāi)狀態(tài)結(jié)構(gòu)

小車在工作時(shí)展開(kāi)狀態(tài)如圖2所示。小車由太陽(yáng)能電池板、指向機(jī)構(gòu)、探測(cè)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)等主要部件組成。圓形車架作為搭載平臺(tái)，可根據(jù)需要選裝工作儀器。如信號(hào)雷達(dá)、天線、攝像頭、巖石打磨機(jī)、光譜分析儀，顯微鏡探測(cè)儀等工作部件，滿足多種工作需要。小車采用輪腿混合行駛系，可根據(jù)實(shí)際路況進(jìn)行輪式或腿式行駛模式的切換。不僅可適應(yīng)探測(cè)區(qū)表面多種路況，還能提高小車的行駛穩(wěn)定性和越障能力。車身車架仿照沙漏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在小車不慎翻倒時(shí)，車身可繞車架主軸180°旋轉(zhuǎn)，完成翻車自救。小車的探測(cè)手臂末端裝有多功能探測(cè)儀，可完成巖石樣本取樣、土壤成分光譜分析和顯微觀察等工作，滿足了探月的各種工作任務(wù)。

2 主要結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)能電池板通過(guò)10塊三角板組裝在一起，通過(guò)連桿連接到車身。在收緊時(shí)可節(jié)省空間又可用于車身外殼作用，工作時(shí)可以根據(jù)太能的位置改變相應(yīng)的角度，以達(dá)到最佳能量收集狀態(tài)。

2.2 指向機(jī)構(gòu)

指向機(jī)構(gòu)包括360°雙視覺(jué)桅桿（圖3a）和雷達(dá)天線（圖3b）。主攝像頭連接在桅桿上，桅桿可伸縮，提高攝像機(jī)的視野范圍。雷達(dá)可轉(zhuǎn)動(dòng)方向，天線可升高程度，提高接收信號(hào)能力。

2.3 探測(cè)機(jī)構(gòu)

在車身上根據(jù)具體的探測(cè)任務(wù)布置了各種用于鉆探的機(jī)構(gòu)，如顯微鏡探測(cè)儀（圖4a）、光譜分析儀（圖4b）、巖石打磨機(jī)（圖4c）等。探測(cè)臂通過(guò)兩根手臂連接，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)完成必要的動(dòng)作。不工作時(shí)收到車身下方，探測(cè)儀連接在探測(cè)手臂上，當(dāng)工作時(shí)通過(guò)探測(cè)手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)可轉(zhuǎn)到所需的位置進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)儀上連有磨石機(jī)，光譜探測(cè)儀，顯微鏡探針。磨石機(jī)通過(guò)探頭上的3片鋼片轉(zhuǎn)動(dòng)，可將大塊巖石磨碎，以便研究巖石的結(jié)構(gòu)和成分。光譜分析儀可以分析月球土壤的成分。

圖3 指向機(jī)構(gòu)

圖4 探測(cè)機(jī)構(gòu)

2.4 行走機(jī)構(gòu)

月球車的行走機(jī)構(gòu)采用獨(dú)特的輪腿混合式，輪腿行駛系為仿生結(jié)構(gòu)。圖5展示了輪腿轉(zhuǎn)換的過(guò)程。小車有六條腿，每條腿都有2個(gè)關(guān)節(jié)，通過(guò)靠近車身的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)腿的前后擺動(dòng)，通過(guò)腿中間的關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)腿的提起和輪腿的轉(zhuǎn)換。車輪和中間的關(guān)節(jié)由同一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。

當(dāng)小車位于路況較差的路面時(shí)，采用腿式行駛，可以直接跨過(guò)較小的障礙物，如小的石塊和坑，提高越障能力；遇到大的巖石和隕石時(shí)，就采取避讓，繞道而行。當(dāng)在好的路面上行駛的時(shí)候，小車可以通過(guò)輪腿轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為輪式行駛，提高行駛效率。此外，腿還可以在小車翻倒的時(shí)候可以輔助自救。

圖5 輪腿轉(zhuǎn)換過(guò)程

3 主要設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

3.1 輪腿轉(zhuǎn)換行駛系統(tǒng)

月球重力是地球的 1/6，這意味著，質(zhì)量為50kg的東西，在地球上所受重力約500N，而到了月球表面則變成約80N。因此，月球表面的土壤非常松軟，月球車的行進(jìn)效率會(huì)降低。月球表面崎嶇不平的路面，有石塊、有隕石坑，還有坡。在這種情況下，設(shè)計(jì)的輪子需要克服重重障礙，既不能打滑，也不能翻車，必須能前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡。

針對(duì)月球的復(fù)雜地貌，采用了獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的“六輪腿混合”行走系統(tǒng)，可以跨越30°斜坡。當(dāng)遇到較大的石塊或隕石坑的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)選擇繞行。月球車的每個(gè)輪子都有自己獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，6條腿可以自行調(diào)整高度，既可互相協(xié)助，又可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。

月球車在月球上會(huì)遇到各種復(fù)雜的路況。在較差的路況上采用腿式行走，可以增強(qiáng)小車的越障能力和通過(guò)性，當(dāng)走到較好的路面時(shí)轉(zhuǎn)換成輪式行駛模式，提高行駛效率，并且這種輪腿轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)還能夠起到翻車自救的作用。

如圖6所示，此月球車可以根據(jù)需要進(jìn)行輪腿轉(zhuǎn)換，采用仿生設(shè)計(jì)，擺動(dòng)腿1可以繞車架左右擺動(dòng)，升降腿2能繞5軸上下升降，在1、2共同作用下使其能像蜘蛛一樣爬行。當(dāng)遇到良好的路面時(shí)，為了提高行駛效率轉(zhuǎn)換成輪式行駛，此時(shí)3支撐腿繞6軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)70°，2升降腿繞5軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)70°，再讓1繞車架旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，使6個(gè)車輪的方向一致，完成轉(zhuǎn)換。

圖6 月球車的輪腿結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換示意圖

3.2 多功能太陽(yáng)能電池板

月球的自轉(zhuǎn)引起月面的晝夜變化。月球上一天的時(shí)間，大約相當(dāng)于地球上的27 d略多。因此，月球晝夜間隔大約相當(dāng)于地球上的14 d。也就是說(shuō)，登上月球以后的月球車，最多可以連續(xù)工作14 d，進(jìn)入月夜以后，它由于無(wú)法通過(guò)光能發(fā)電，進(jìn)入休眠狀態(tài)。14 d后，又能自動(dòng)醒來(lái)。

為了盡可能多地吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為能量，日間月球車會(huì)伸展雙翼盡量擴(kuò)大自己與外界的接觸面積，但到了寒冷的夜晚，過(guò)大的接觸面積同樣會(huì)加快月球車的熱量損失，因此，夜晚的月球車將接觸面積減到最小。

太陽(yáng)能是月球上主要的可利用能源，如何能最大限度的收集和利用太陽(yáng)能一直都是設(shè)計(jì)月球車的重大課題。采用感光性太陽(yáng)能電池板作為收集和提供能源的裝置，可以根據(jù)太陽(yáng)的位置改變相應(yīng)的角度，以保證最佳能量收集狀態(tài)，另外由于月球上晝夜間隔比地球長(zhǎng)得多，大概相當(dāng)于地球的14d，因此感光太陽(yáng)能電池板也能起到黑夜預(yù)警的作用，保證當(dāng)月球進(jìn)入黑夜時(shí)使月球車停止工作。太陽(yáng)能電池板的工作過(guò)程見(jiàn)圖7。為了便于運(yùn)輸，電池板在收縮時(shí)還可以起到車身外殼的作用，不但減小了月球車的總體積，而且對(duì)車身上的工作儀器起到保護(hù)作用。

3.3 車身翻轉(zhuǎn)自救功能

月球上的重力很小，車輛顯得很輕，因此很容易翻。重力減小的同時(shí)，車輛和月面的摩擦力也減小了，對(duì)車輛的控制會(huì)變得很困難。加上月面的地形復(fù)雜，浮塵又很厚。這些因素都使得車輛在月球上運(yùn)動(dòng)時(shí)變得十分不穩(wěn)定。車輛很容易翻倒。很多月球車通過(guò)探測(cè)掃描等方式避免讓月球車翻倒，該車專門設(shè)計(jì)了車身翻轉(zhuǎn)自救功能。

如圖8所示，車身可以繞車架在垂直方向旋轉(zhuǎn)180°，因?yàn)椴捎幂喭然旌辖Y(jié)構(gòu)的行駛系統(tǒng)，如果月球車不慎翻倒，如圖8所示a，這時(shí)小車的6條腿都會(huì)朝上，腿可以橫擺和升降，通過(guò)攝像頭的輔助支撐作用，使6腿翻轉(zhuǎn)將車身車架撐起（圖8b）。然后再將車上工作儀器收起，包括太陽(yáng)能電池板，然后開(kāi)始翻轉(zhuǎn)（圖8c）。翻轉(zhuǎn)完成后，打開(kāi)工作儀器，開(kāi)始新的工作，完成自救（圖8d）。

圖7 月球車展開(kāi)過(guò)程及隨太陽(yáng)位置變化角度

圖8 月球車翻轉(zhuǎn)自救過(guò)程

4 總結(jié)

本文基于Inventor軟件所建立的探月小車三維模型，對(duì)這種輪腿混合式探月小車進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)。此探月小車概念設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)有3個(gè)方面：1）采用輪腿混合行駛系統(tǒng)，增強(qiáng)了越障能力和通過(guò)性；2）多功能太陽(yáng)能電池板，可隨著太陽(yáng)的位置改變相應(yīng)的角度，增大光照面積，以達(dá)到最大采集能量的目的；3）可旋轉(zhuǎn)車身，在小車不慎翻倒的情況下通過(guò)車身的翻轉(zhuǎn)進(jìn)行自救。但本設(shè)計(jì)仍處于概念設(shè)計(jì)初級(jí)階段，還需進(jìn)行更如入的研究。

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［3］劉淑軍,管西強(qiáng),李遙,杜三虎.松軟土壤上月球車仿真驅(qū)動(dòng)能力的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2010（2）：43－46.