月球车知识专业知识讲座.ppt

Haga clic para cambiar el estilo de ttulo,Haga clic para modificar el estilo de texto del patrn,Segundo nivel,Tercer nivel,Cuarto nivel,Quinto nivel,*,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,主要内容,一、引言,二、国内外月球车结构的发展概况,三、月球车机电系统关键技术,四、月球车机械结构设计,五、机器人设计举例,六、存在的问题及努力方向,1,一、引言,2,1.,月球车,能够适应恶劣的月球环境,，通过月球车队月面进行一系列的考察探测可以为今后人类登上月球提供大量资料；,2.,月球车的研制是一个,复杂的系统工程,，它涉及科学研究领域的各个方面，带动科学技术的快速发展；,3.,通过,月球车的研制所积累的经验和技术,，可以应用于工作环境恶劣的工业生产，加速我国现代化建设进程。,一、引言,阿波罗,15,号飞船的月球车,3,二、国内外月球车结构的发展概况,月球表面地形恶劣，月球探测车在这种位置的环境中工作，必须具有性能有优越、自适应能力强的移动系统。因此，月球探测车的移动系统必然是星球探测的核心技术之一。,关键部分：,移动系统,在月球探测车中的重要地位,。,主要的研究：,著名的有美国,Rocky,系列移动系统；,卡耐基,梅隆大学的,Nomad,移动系统；,俄罗斯爱达荷大学设计制造的,APX,系统等,；,国内的国防科技大学，清华大学、,哈尔工业大学。,4,1.,移动系统的主要型式,轮式,足式,轮足混合式,履带式,5,2.,主要优缺点,足式移动系统,的控制复杂，相关技术也不太成熟；,履带式移动系统,具有良好的越障性能，较强的适应性和使用寿命，适合在崎岖的地面行驶，其适应范围广，运动效率高，但履带式移动系统的机构,可能复杂,，运动分析及控制,可能较困难,；,轮式移动系统,在相对平坦的地形中具有相当的优势，同足式移动系统相比，其控制也较简单，大多数的研究者倾向于将行星探测车的移动系统设计成轮式机构。轮式移动系列运动迅速、平稳，尽管其比较适合平缓的环境，但合适的悬架系统来使其适应凹凸不平的地形,需巧妙的设计,。,6,3.,世界较著名月球车介绍,-,索杰纳,由美国,JPL,研制，质量,11.5kg,，于,1997,年,7,月发射到火星表面，在火星探路者的可视范围内进行科学实验,机械结构：采用,六轮摇臂悬吊式结构,，四个角轮具有独立驱动和控制能力。,电子线路：表面安装了一套特制的抗强辐射部件，内部的电子元器件具备超高温、超低温和强辐射的能力。,传感装置：五个激光条纹投影仪，三个石英加速计，撞击检测开关。在车体的前端还安装有一台,CCD,相机。,几何参数：,外形尺寸,60cm,40cm,35cm,。,有效载荷：分光计，用于确定岩石和土壤的化学成分。,7,美国,JPL,正在研制一种高度自主的火星漫游车,Athena,，质量,60kg,，主要用于火星采样返回，于,2003,年发射，,FIDO,是,Athena,地面样机，其主要任务是（,1,）远距离运行与科学探测；（,2,）岩石和土壤的采样返回。,机械结构：,FIDO,也采用,六轮摇臂悬吊式结构,，,六轮可以独立驱动,，因而具有较强的越障和爬坡能力。,几何参数：外形尺寸为,100cm80cm50cm,。,有效载荷：包括一个,四自由度桅杆,，,桅杆上装有一台全息立体相机,；,一个四自由度的机械臂，机械臂上安装有一微型相机和一个莫氏分光计；在车体的前下部还装有一个小型的样本挖掘器；另外，在车体前后部各有一台广角立体相机，可用于避障,。,3.,世界较著名月球车介绍,-FIDO,8,Nomad,由美国,CMU,大学研制，质量为,550kg,。,机械结构：采用四轮机构，且四轮具有独立驱动兼导向能力。其行驶机构由可变形的底盘、均化悬挂系统和自包含轮组成。可变形的底盘使得在运输过程中，机构的体积较小（,1.8m1.8m2.4m,），而在运行时具有较大的覆盖面积（,2.4m2.4m2.4m,）。均化悬挂系统可以平滑机器人本体相对于轮子的运动。这种结构可保证在各种地形情况下四轮都能同时着地。,3.,世界较著名月球车介绍,-Nomad,（流浪者,）,9,3.,世界较著名月球车介绍,-Nanorover,Nanorover,是由美国,JPL,开发的一种微型火星车，用于协助其它火星车工作。,它具有传统的滚动和转动之外的移动方式，可以视为,腿式和轮式的一种混合结构。,采用这种结构，小车可以在,底盘朝上时自动翻过来，具有自矫正功能,。,如图所示，左右两侧的四根柱杆可以绕车上的节点旋转，在必要时（如遇到障碍、沟壑及其它用轮子不能通过的情况）可起到腿的作用，此时,Nanorover,相当于一个四足机器人。在平缓的地面上以四轮滚动前进，此时相当于一个,四轮行星车,。,10,3.,世界较著名月球车介绍,-Micro5,Micro5,是由日本宇航中心和梅基大学联合研制开发的一种体积小、质量轻、低能耗的行星车，质量约为,5kg,。,机械结构：该车结构新颖，采用五点接触悬吊结构，四个角轮为驱动轮，,中间轮为一被动的支撑轮,。整个车体从支撑轮的支点处分成可以相对转动的两部分。该结构可以,保证车体在各种地形情况下均具有较高的稳定性,。,11,3.,世界较著名月球车介绍,-Micro5,12,三、月球车机电系统关键技术,1.,月球基本环境,月球表面环境与地球环境差异很大，具有表面环境恶劣、温差大、地表地形复杂等特点。,月球距地球,384,，,467Km,，表面重力加速度为,1.67m/s2,（微重力），月球表面布满沉积的尘埃和砂石，无水，无大气层，,表面温度范围为,-152.7,至,130,。,13,三、月球车机电系统关键技术,（,1,）体积小、重量轻、低功耗,星际飞行过程中，月球车至于飞行器携带的着陆器内，它既是月球车的保护载体，又是连接月球车与地球站的通讯控制中继站。另外月球车还存在能源供应问题。因此限制了月球车的体积、重量和功耗，而这些因素又彼此相互制约。美国的“索杰纳”号火星探测车体积仅,，自重仅,11.15kg,。,2.,月球车设计开发应注意的特点,14,三、月球车机电系统关键技术,（,2,）灵活的越障、避障能力,在地形复杂的月球表面，包括,布满尘埃的松软的沙地,、,多石块砂砾地,、,高低起伏的坡地,，而且还存在,岩石遍布,、,高低断层纵横的地带,，因此月球车的灵活的避障、越障和自动复位能力对于完成月球车的漫游探测任务异常关键。避障能力要求导航和控制系统灵敏有效。越障能力体现在抗倾覆能力、爬坡和跨坑道等能力，要求车体结构灵活、机动性能好。离障能力是指在月球车遇到特殊情况快速脱离险境的能力。,虽然导航和控制技术使月球车的避障能力大大加强。但月球车机动性的关键还是,月球车的机械结构,、机械传动和驱动系统性能。车上载有各种科学探测和通讯仪器，对于月球车运动学、动力学都有很高的要求。,15,（,3,）微重力考虑,为适应行星表面的各种重力情况，机械系统还应具有适应微小重力等环境的适应能力，以保持其灵活的机动性。,月球上的重力很小,，车辆显得很轻，因此很容易翻。重力减小的同时，车辆和月面的摩擦力也减小了，对车辆的控制会变得很困难。加上月面的地形复杂，浮尘又很厚。这些因素都使得车辆在月球上运动时变得十分不稳定。,敏捷性要求,高速度，可靠的制动，灵活的转向。但是稳定性的下降，使得车辆不能开得太快，也不能转弯太急，否则车辆很容易翻。,三、月球车机电系统关键技术,16,（,4,）环境防护能力,为适应大温差环境。要求月球车具有低温、高温防护能力。在无大气层或稀薄大气层情况下，要求月球车,具有抗宇宙射线辐射能力,。此外，月球车还应具有,防尘、防水等能力,，特殊情况下可能要考虑防磁能力。,三、月球车机电系统关键技术,17,（,5,）月球车能源系统,三、月球车机电系统关键技术,月球车的所有设备如,计算机系统,、,驱动电机,、,激光探测器、通讯用无线调制解调器,的都需要电源，所以能源供应是月球车完成探测任务的另一个关键问题。月球车上的电子电路、科学探测仪器设备和驱动电机,都是采用直流供电方式,。,小型月球车的质量一般从十几千克到几十千克，载重能力有限,，而功率需求至少几瓦至几十瓦，因只能携带少量高性能电池组，月球车满负荷工作下仅能供应数天时间。而月球车工作时间一般都要求数周或数月时间，所以除高性能电池组外，还需要电力系统，一般采用,太阳能电池组,，为协调系统各部分供电需要电源控制系统。,18,6.,月球车材料的选择,月球车选区的材料必须能够适应月球表面的特殊环境。,包括,金属材料和复合材料,，对于材料的要求是：比特性高；强度、塑性好；热稳定性好；具有高的抗腐蚀性；导热性好；因为月球车在宇宙环境中工作受到辐射，所以要求吸收中子的能力比较弱；辐射稳定性好；不能吸收气体；在低温条件下应有塑性储备，不发生脆化，有较好的工艺性，工艺性包括可焊性、机械加工性和冷压性；同时应有较好的经济性指标。但没有一种材料能满足上述所有的特性，故此选择材料时应匹配材料特性，通常根据材料的工作时间来选择材料。,三、月球车机电系统关键技术,19,金属材料,（,1,）铝合金,在低温条件下能保持较好的强度和塑性，具有很好的抗腐蚀性和导热性。在低温和真空条件下吸收气体较好，能强化。铝合金的可焊性，可冲压性使其能获得各种形状。但与刚才相比，其刚度较低，多数铝合金的焊缝强度低于铝材的强度。,根据铝合金的特性，适宜用来制造月球车的壳体。,（,2,）镁合金,比特性比铝合金高,1.5,倍；热容是铝合金的,2.5,倍；镁在地球的储量占第一位；有较好的抗辐射性。但镁合金活动性大；导热性差；比较贵。,根据镁合金的特性，适宜用在工作期间较短的结构上。,（,3,）铍合金,比特性最高；强度高于钢材；弹性模量较高；耐腐蚀性强；很多射线易穿透铍材，不宜积累热量；对种子的反射率较高；热稳定性较好。,根据铍合金的特性，适宜用于射线穿透的橱窗；需防原子辐射的部分；可做陀螺仪等精密仪器的材料；做太阳能电池帆板的部件等。,（,4,）钛合金,熔点高；热稳定性好；低温性能好，不脆化；是非磁性材料；疲劳强度较高；高刚度、高强度，有较好的耐磨性。但价格贵，制取工艺复杂，而且比重大。,Ti+Ni+Co,合金可做自身伸展结构，如月球车上的天线；,用钛合金还可做月球车的车轮、轮缘。,（,5,）铬、镍合金可用于月球车轴承中的滚珠,（,6,）铜合金 低温塑性好；导电性、导热性好。,用在非承载的部件、导热片。其中的青铜合金耐磨性好，可用于旋转部件，也可用于表面包覆的部件,三、月球车机电系统关键技术,20,复合材料,（,1,）纤维复合材料,基题为粘结材料，填充材料为玻璃纤维，金属、非金属纤维材料。基体材料可承受纤维材料难承受的剪切载荷，同时基体材料须保证抗辐射，另外也许保证能承受温度循环，基体材料与纤维材料的膨胀系数应一致。,（,2,）玻璃纤维材料,制取便宜、应用广泛，冲击韧性和化学稳定性好，缠绕工艺性好，振动稳定性高，比较好的热、电绝缘材料，而且是一种耐火材料。同时具有很好的缠绕工艺性，用玻璃纤维能进行二维编制，缺点在于弹性模量低，不能保证结构有很高的刚度，切削加工性差。,根据玻璃纤维材料的特性，比较适宜用于伸缩性天线,（,3,）硼纤维材料,硼纤维材料易脆，冲击韧性低，不能制作细的纤维材料。,可做直的部件，如绗架的杆和无线电天线拉杆等，也可做月球车科研仪器的支架，月球车的取样装置也需用硼纤维强化。,（,4,）碳纤维材料,刚度和弹性与硼纤维接近，区别是碳纤维做得很细，弯曲半径不受限制，可编制后再做件，航天器中应用广泛。热膨胀系数相当低，刚度特性好。,缺点是与基体材料的结合性差，目前存在着基体材料和添加材料均为碳的，但原子排列的顺序有所不同。碳纤维材料的压缩性低于拉伸性，冲击韧性差。,根据碳纤维材料的特性，适宜用于制作帆板、平台和光学仪器，通信天线和高度反射天线。,（,5,）有机纤维材料,密度最低、强度最好，强度特性比金属材料高,10,倍左右，冲击韧性较好。另外其编制缠绕工艺性好，热膨胀系数和碳纤维的很接近，故可以和碳纤维匹配着使用，同时热稳定性好。但有机纤维弹性模量低，压缩强度低。,根据有机纤维材料的特性，适宜用于制作形状复杂的部件，可以和金属材料相匹配着使用做热防护部件，导管和壳体部件。,（,6,）密封部件,目前宇航系统均尽可能的采用非密封结构，发动机、轮子和电机、减速器采用部分密封结构。,不密封的这些部件采用主动和被动的方式控制。被动的方式又热绝缘、热辐射和红外接收器件；但为保证各种设备的正常工作，大多采用主动防护的系统，如制冷机。导线和壳体用真空热防护膜，一般为多层的铝箔防护膜。,三、月球车机电系统关键技术,21,1.,基本数据,行走系统重量：,*Kg,；,月球车尺寸：,50mm50mm50mm(,收拢状态,),；,行走系统折叠比：小于,0.8,；,可爬越坡度：,30,，并能适应,30,的侧倾角；,能越过低于,200mm,的障碍，避让高于,200mm,的障碍；,行走系统功耗,(,月面功耗,),估计：,(1),、额定功耗：,30W,；,(2),、最大功耗：,50W,；,质心位置分配：,(1),、车体等效质心：纵向,53020,，横向,50020,，高度,45015,；,(2),、有效载荷等效质心：纵向,128515,，横向,50020,，高度,45015,；,(3),、机械臂等效质心：纵向,144010,，横向,50020,，高度,45015,；,(4),、整车等效质心：纵向,75025,，横向,50025,高度,45025,；,关键部件重量分配：,(1),、有效载荷,(,科学仪器,),：,40kg,；,(2),、机械臂：重量,7kg,，负荷,2kg,。伸出长度：约,80cm,90cm,；,(3),、箱体及天线等：重量约,120kg,。,四、月球车机械结构设计,22,四、月球车机械结构设计,2.,机构设计,-,举例,主要包括,车身主体,、,前部机构,、,横向机构,和,两侧向机构,。前部机构使用螺丝固定安装在车身主体前端，横向机构用螺丝固定安装在车体中，两侧向机构分别用轴销和横向机构的,U,型铰相铰接。,23,2.,机构设计,-,举例,铰链四杆机构由连杆,a,、,b,、,c,、,d,构成。连杆,a与连杆,b,在,A,处以轴销铰接，连杆,a,与连杆,d,在,B,处以轴销铰接，连杆,c,与连杆,b,在,C,处以轴销铰接，连杆,d,与连杆,c,在,D,处以轴销铰接。连杆,a,用螺丝固定在,U,形板,e,上，,e,通过驱动电机,M2,与轮子,1,连接，转向电机,M1,用螺丝固定在,e,上。在连杆,c,与连杆,d,之间安装压簧,f,，使其在铰链四杆机构,7,转动时驱动轮受压。连杆,c,以销轴固定在主体的前端支架,c,上。,四、月球车机械结构设计,24,一侧向平行四边形机构由连杆,i,、,j,、,k,、,l,构成。连杆,i,与连杆,j,在,E,处以轴销铰接，连杆,i,与连杆,l,在,G,处以轴销铰接，连杆,l,与连杆,k,在,H,处以轴销铰接，连杆,k,与连杆,j,在,F,处以轴销铰接。在连杆,i,与连杆,k,的中点,J,、,K,处，通过与连杆,i,、,k,正交的,U,形铰连接于横向平行四边形机构上。连杆,j,、,l,下端安装带驱动电机的车轮,2,、,4,和前进驱动电机。,四、月球车机械结构设计,25,连杆,m,与连杆,o,在,N,处以轴销铰接，连杆,n,与连杆,o,在,O,处以轴销铰接。支架,o,通过螺丝固定在主体上。,m,与,U,形铰在,L,处以轴销铰接，并通过铰与侧面连杆,i,相连。连杆,n,与,U,形铰在,M,处以轴销铰接，并通过铰与侧向连杆,k,相连。另一侧的平行四边形机构与之相同。同时，分别用拉簧连接车身主体和四边形连杆侧边，使小车平地时保持较稳定形态。,四、月球车机械结构设计,26,五、机器人设计实例,介绍机器人设计特点,分析模型建立注意事项,基本术语,27,总体三维图,用六个伺服电机控制机械手的六个自由度,28,电机名称,控制自由度,电机,1,控制橘黄色底盘旋转,电机,2,控制紫色手臂转动,电机,3,由拉杆控制绿色手臂俯仰,电机,4,控制蓝色手臂转动,电机,5,控制末端黄色手腕俯仰,电机,6,控制末端蓝色转盘转动,29,30,由下部转盘轴承,对中间空心轴进,行卸载使之不用,承受径向力,31,32,33,34,位姿,5,位姿,4,位姿,0,位姿,3,位姿,2位姿,1,位姿,6,位姿,7,1232,638,473.5,35,关键术语,1.,关节,(Joint):,即运动副,允许机器人手臂各零件之间发生相对运动的,机构,.2.,连杆,(Link):,机器人手臂上被相邻两关节分开的部分,.3.,自由度,(Degree of freedom):,或者称坐标轴数,是指描述物体运动所需要的独立,4.,4.,刚度,(Stiffness):,机身或臂部在外力作用下抵抗变形的能力,.,它是用外力和在外力作用方向上的变形量,(,位移,),之比来度量,.5.,工作空间,(Working space):,机器人手腕参考点或末端操作器安装点,(,不包括末端操作器,),所能到达的所有空间区域,一般不包括末端操作器本身所能到达的区域,.6.,其它,(a),表示手指,(,末端执行器,);(b),表示垂直,升降运动,;(c),表示水平伸缩运动,;(d),表示回转运动,;(e),表示俯仰运动,.,36,六、目前存在的主要问题及改进方向：,1.,结构需完善,2.,特色需提炼,3.,细节需体现,4.,模型需精整,4.,视频需新颖,5.,说明需准备,37,谢 谢！,38,并联机器人与机电系统实验室-2010,