月球营地机器人设计

2020-06-21陈子轩

设计 2020年11期

陈子轩

摘要：随着空间科学技术的发展，人们渴望探索宇宙。而探索月球是我们探索宇宙的第一步。探索月球最重要的一步就是建立月球基地。针对以上情况，我们制作了一款月球营地机器人一啸月号，它主要由太阳能收集模块、回转模块、机械臂模块、履带自适应移动模块、斗轮资源采集模块、资源储藏模块、驱动模块等部分组成。各个模块共同运行，协同完成搭建基地和日常基地维护工作。该机器人除帮助搭建月球基地之外，也可为宇航员提供工作上的便利。

关键词：月球车月球营地创新机械力学分析

中图分类号：TB47

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2020）06-0011-03

Abstract： With the development of space science and technology， peopleare eager to explore the universe And exploring the moon is the first step in ourexploration of the universe The most important step in exploring the moon is toestablish a lunar base In view of the above situation， we made a lunar camp robotXiao Yue， which is mainly composed of solar energy collection module， rotarymodule， robotic arm module， crawler adaptive mobile module， bucket wheelresource acquisition module， resource storage module， drive module and otherparts Each module runs together to complete the construction of the base and thedaily maintenance of the base In addition to helping build a lunar base， the robotcould also be useful for astronauts

Keywords：lunarrover Mooncamp Innovation Machinery Mechanicsanalysis

引言

随着航空航天技术的发展，人们对月球有了越来越浓厚的兴趣，但开发程度仍只停留在表面阶段。近年来我国航天技术不断发展，在空间领域科学也加大了研究力度。在各航天大国太空竞争日益激烈的情况下，建立月球基地、进行月球探测必将成为我国的重要空间发展战略。建立月球基地不但需要依靠宇航员的指引，也免不了需要机器人的协助，但月球机器人较于普通机器人需要面临更多更大的难题，比如月球的重力温差等环境条件。因此目前的月球机器人种类依旧较少，大多数月球机器人的作用也仅为月球表面勘测，对宇航员工作并没有什么帮助。对于这一问题，我们设计了月球营地机器人一啸月号，该机器人除帮助搭建月球基地之外也可为宇航员提供工作上的便利，如图1。

一、项目意义

针对月球基地搭建复杂而困难、宇航员生活不便的问题，我们设计的月球营地机器人具有移动灵活、可实现复杂工作、结构紧凑高效等优点。

我们的月球营地机器人能够完成多项工作，能够满足搭建月球基地、维护保养月球基地以及协助宇航员日常工作等需求。其特殊性在于：

1.装配有高效的采矿斗轮机构，可以自主改造适宜居住的地形条件。

2.机械臂的连接方式能实现机械臂的整体协调运动与单独运动，可根据搭建基地的实际情况自行调节工作模式。

3.整体结构利用回转机构将底部和上部連接，增大月球车移动和搭建工作的协同调节能力，可适应不同场合的使用要求。

此月球车的设计不仅减小了月球基地的搭建难度，还可以减少宇航员的工作负担，为实现人类探索居住月球的计划提供了有效的实现手段，为月球营地机器人设计人员提供了新的设计思路，促进月球营地机器人的发展。

二、项目研究内容

1.太阳能收集模块的结构设计：平面展开，能够最大程度地接收太阳光，多曲柄滑块机构能够控制太阳能板的张开与闭合，实现对太阳能板的保护，同时在工作时收起减少占地。

2.机械臂转换模块的结构设计：机械臂主要有执行和驱动机构，并且由控制模块进行控制。设计多自由度使其具有更好的灵活性，便于在不同角度与位置完成工作。巧妙地运用半齿轮结构，实现抓取机械臂和螺栓装配机械臂的转换，在不同的工作需求下保持不同的工作状态。

3.机械臂模块的结构设计：机械臂巧妙运用电动推杆实现伸缩抓取等功能。有反应快，驱动力较大，信号的检测处理便捷，控制方式多样等优点。

4.三角履带模块的结构设计：三角履带模块是为了更好地适应近代月球对高通过性与高机动性等苛刻性能的要求，融合了轮胎与履带行走机构的优点，是一种集成式机械总成。最大的特点是全地形越野、行走。

三、可行性分析

月球营地机器人一啸月号所涉及的原理并不复杂，主要是一些基本的机械传动（齿轮传动、液压传动、丝杆螺母、导轨、曲柄滑块等）因此从技术层面上来说，月球营地机器人一啸月号是可以实现的。

机器人肢体采用铝合金，受温度变化影响小、耐腐蚀性能优良，还具有加工难度低、成品稳定等特点，还可以在表面进行喷镀、电镀、焊接等二次加工，可以使成本降低，并且保证强度，使机器人轻量化，降低能耗。可以很好地适应月球环境的重力辐射等条件。

机械臂上的机械手爪采用特殊合成碳化硅，耐磨性极高，不易损坏。在机械手指上还套了一层合成橡胶，增加手指的摩擦力，便于抓取物体。综上，设计在材料选择上合理可行，如图2。

设计的月球车整体主要由两部分组成，两部分之间由行星轮系组成的回转机构连接。实现在整体协同工作的前提下上下两部分有自己的独立性，可以做到高效率的工作。

为了满足搭建基地的功能要求，月球车装备了多功能可转换式机械臂。车尾装置的斗轮可以实现资源采集和改造地貌的功能。底部的自适应三角履带可以根据地面条件的不同而改变形状，对各种路况都有着高适应性。月球车顶部的太阳能收集模块则为整体工作提供动力来源。

（一）太阳能收集模块设计，如图3

太阳能收集模块是月球车整体的动力来源，是整个月球车最重要的模块之一。考虑到月球表面太阳能的分布特点，我们设计的太阳能板能随着日光移动而改变吸收角度，从而实现更多的能量转换作为动力来源。

太阳能收集模块主要由可折叠机构以及多曲柄滑块机构组成，配合工作完成。多曲柄滑块机构通过中心的螺杆提供动力，螺杆升起推动滑块，使曲柄运动从而使太阳能板展开。在工作时，太阳能板可以收起，起到对太阳能板的保护作用。

（二）机械臂转换模块设计，如图4、5

为了满足搭建基地的工作多样化需求，能够在不同工作条件下转换不同的机械臂，从而完成不同的工作，设计了半齿轮传动机构，提高月球车的功能适应性。由于搭建基地要考虑到整体的建造要求，机械臂的整体自由度设计为3，便于机械臂的工作。

1.螺栓装配机械臂设计，如图6

月球基地骨架的搭建连接处需要螺钉的固定，所以我们的月球机器人需要有自主加固螺栓的功能。螺栓的加固要做到牢固精准，故设计了此模块。

螺栓装配机械臂主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。机械臂的多自由度设计使其具有更好的灵活性，便于在不同角度与位置完成复杂工作。组装接头由电机驱动，高效稳定的加固骨架连接。机械臂整体由传感器和无线电控制，保证整体工作的精准性。

2夹持装配机械臂设计，如图7

月球基地的整体骨架搭建完成后，需要将板材安装固定在合适位置。用夹持机械臂将板材夹持移动到安装处，为下一步固定做准备工作。

夹持装配机械臂由连杆机构和电机组成。电机驱动带动连杆工作，连杆收缩带动机械爪夹紧。机械臂夹持器，支持单夹持、夹持和手腕旋转两种工作方式。

（三）斗轮资源采集模块设计，如图8

月球车设计有斗轮采矿结构。可以在月球表面收集矿物进行化学分析。也可以用来改造地形，自行挖掘创造出适宜居住的地貌条件，给月球基地提供一定的保护措施。

电机驱动臂架回转或上下运行，矿料被切割成整齐的梯形断面。臂架与斗轮协同运转实现取料功能。矿物经卸料板卸至传送履带上并且反向运行，通过中心漏斗卸至资源储藏模块。

1资源储藏模块设计，如图9、10

月球车底部设置有快门结构，可以迅速地储存斗轮采集的月球矿物资源，便于之后的科学研究等工作。矿物被传送履带运输至中心处下面的漏斗卸至快门机构，快门打开，物料进入储藏空间。

快门机构由类曲柄滑块机构组成。基本构成有机架、曲柄、连杆、滑块。整体机构将连杆的直线运动转换为回转运动，从而完成快门的开闭行为。

（四）回转机构设计，如图11、12

整体结构利用回转机构将底部和上部连接，增大月球车移动和搭建工作的协同调节能力，可适应不同场合的使用要求。实现在整体协同工作的前提下上下两部分有自己的独立性，可以做到高效率的工作。

在月球车上下部连接处是由行星轮组成的回转机构。回转机构的外壳被安装在转台上，齿轮与回转机构的内圈座形成内啮合。小齿轮既可绕自身的轴线自转，又可绕转台中心线公转，当回转机构运作时，转台就相对底架进行回转。月球车底盘与上部体可以做相对回转运动，两个部分可以协同工作时又做到独立工作，增加了月球車工作性能与效率。

（五）底部设计，如图13

月球车底部采取发动机前置前驱的方式，将发动机横向布置，与设计紧凑的变速驱动桥相连。省略传动轴装置，减轻了车重，结构比较紧凑;有效地利用了发动机室的空间，并有利于降低地板高度，动力传递效率高，提高了月球车行驶时的操纵稳定性和制动时的方向稳定性;简化了后悬架系统;在月球表面松软的土地上行驶时，靠前轮牵拉车身，有利于保证方向稳定性。

差速器可以使两侧驱动轮能以不一样的速度进行转动。该装置由左右半轴齿轮、两个行星齿轮及齿轮架组成。当月球车需要转弯或在崎岖地区行驶时，两侧车轮以不同速度滚动，可以调整两侧车轮的转速差，这就确保两侧驱动车轮作纯滚动运动。

1传动机构设计，如图14、15

月球车采用电机和定轴齿轮系传动的方式进行行驶驱动，简化了月球车的行驶过程。动力利用太阳能和电池中储存的电能，可以高效完成搭建月球基地工作。

运用齿轮传动能保证瞬时传动比的恒定，传动平稳性好，传递运动准确可靠。传递的功率和速度范围大，其传动时圆周速度可达至300m/s。传动效率高，一般传动效率=0.94～0.99。结构紧凑，工作可靠，寿命长。月球车采用设计正确、制造精良、润滑维护良好的齿轮传动，预计可使用数年乃至数十年。

驱动电机选用Y80M2-2或者Y905-2电机，马力以及转速满足月球车要求，额定电流低于太阳能板的供电上限，可以完成工作，如图16。

2.三角履带移动模块设计，如图17

三角履带机构由轮子，骨架和履带三部分组成，每部分之间由转动副连接。它是由履带、三角支架、驱动轮、支撑轮、涨紧轮、还有防侧翻、连接盘装置组成。本装置的履带轮采用橡胶材质，橡胶履带适合高速行驶，质量较轻，适用于月球的地貌条件。

月球表面有很多凹凸不平的地貌以及石块等障碍物，在月球车经过这样的路况时，三角履带可以通过自适应机构进行一定范围内的适当的变形，变形程度隨着障碍物的大小而变化，履带轮可以调整一定角度直到适宜月球车行驶。位于上方的为驱动轮，位于下方贴近地面布置的为履带轮。三角履带提高了承载能力，扩大了应用范围，其对地形复杂地区适应能力强，但是变形部分强度要求高，增加变形随之自由度增加，机构稳定性高，成本低，应用广;其具有可预期的稳定作用。

四、整体创新点

（一）功能创新：

1.设计出一种可以在月球实现搭建基地、维护基地以及辅助宇航员日常生活等功能的月球车，为未来探索月球的进程提供了新的思路。

2.模块化思想贯穿本装置的设计，太阳能储存模块提供动力来源，机械臂转换模块可适应不同的搭建条件，斗轮模块可以改造适宜月球地貌条件也可同时进行资源勘探，上部与底部的连接方式与行星轮机构能实现机械臂的整体协调运动与单独运动，可根据使用者的要求自行调节工作模式，自适应三角履带模块可以很好地适应月球上的各种地形。即一套装置即可协同实现在月球上搭建基地的任务。

3.整体运动采用前置前驱运动方式，具有较强的运动能力。减轻了车重，结构紧凑，动力传递效率高，提高了月球车的方向稳定性。

4.太阳能板完全展开后能够形成完整的表面，实现最大化收集太阳辐射能量，为机器人的日常工作提供充足能源。

5.多功能模块机械臂设计，便于夹紧工件的同时可进行铆接操作，提高建造月球基地的效率。

（二）机构创新：

1.类曲柄滑块机构：利用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换，将其用于太阳能板的展开与收拢，能够更好地保护太阳能板。

2.多自由度机械臂：本装置通过并联伸缩机构、摆杆机构等的连动组合，机械臂主要有执行和驱动机构，并且由控制模块进行控制。设计了多自由度，便于在不同角度与位置完成复杂工作。

3.回转机构：月球车底盘与上部体可以做相对回转运动，两个部分可以协同工作时又做到独立工作，增加了月球车工作性能与效率。

4.齿轮组传动机构：采用电机和定轴齿轮系传动的方式。简化了月球车的行驶过程。

5.全地形自适应三角履带机构：自适应三角履带机构兼具轮式机构与履带机构的优点，既具有稳定的行驶性能，同时具有高效的跨越障碍的能力，适应月球崎岖路面能力强。

续语

该月球营地机器人能在搭建月球营地和日常维护等工作中起到重大作用，可以便捷宇航员的日常工作与生活。装置原理可行，生产材料易获取，有利于其广泛生产使用，在月球探索的科学研究中可以起到重大助力作用。

参考文献