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[任务跟踪] 嫦娥二期的月球车:“玉兔”月球车将巡月5平方公里

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jingyan66 发表于 2008-11-27 11:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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China and Italy Jointly Develop Moon Robots



May 30, 2006
People's Daily Online

Italian and Chinese scientists have jointly invented a prototype robotics system for Moon exploration, professor Carlo Ghezzi of the Polytechnic University of Milan (PUM) told a visiting Chinese journalist delegation in Milan.

"The prototype robots are under control test," Ding Xilun, a Chinese professor who heads the Space Robots Laboratory of the Beijing University of Aerospace and Aeronautics, confirmed to Xinhua in a telephone interview on Sunday.

The project was initiated in 2004 with Alberto Rovetta, director of the Robot Lab of PUM's Mechanic Department.

The Novel Robotic System for Space Exploration, or "NOROS-1" for short, involves a robot family with one host robot and four assistants.

Upon the project's completion in 2008, these robots, each measuring 40 to 80 cm in diameters and weighing 12 to 30 kilograms, would be equipped with a wheel/leg locomotion system which allow them to move as they want and respond to the land situation on the Moon.

These intelligent robots would cooperate with each other like human beings and remain unaffected by the malfunction of other robots.

"Once the products are put to use, there will be an automatic robotic system on the Moon to manage and improve satellite communication. They can also be used to explore the environment of the Moon and collect soil samples on the Moon,"

本帖被以下淘专辑推荐:

 楼主| jingyan66 发表于 2008-11-27 12:02 | 显示全部楼层

“中意月球车”NOROS-1的想象图

还真卡哇伊
NOROS-1.JPG
liudao 发表于 2008-11-27 12:15 | 显示全部楼层
这个车的模样还真是......呵呵.
二期就有外国人参与,我相信可能性不大,而且最终上月球的,很可能是六个轮子的车.三期可能与欧空局合作,他们帮助解决月壤采集器的通讯问题.
naugty 发表于 2008-11-27 12:17 | 显示全部楼层
12月份开始竞标,看到时候有没有这个方案出现
hkhtbbs 发表于 2008-12-16 09:05 | 显示全部楼层
月壤挺适合四轮月球车的,看阿波罗计划中月球车就特别灵活实用。
 楼主| jingyan66 发表于 2008-12-16 09:13 | 显示全部楼层
 楼主| jingyan66 发表于 2008-12-16 09:19 | 显示全部楼层
原帖由 hkhtbbs 于 2008-12-16 09:05 发表
月壤挺适合四轮月球车的,看阿波罗计划中月球车就特别灵活实用。


请教,月壤有何特点使得四轮比六轮有优势
hkhtbbs 发表于 2008-12-16 09:35 | 显示全部楼层
月球正面大大多数地区是月海,而且都是有月壤覆盖着,较为平坦,不像火星上布满了小岩石。在月球进行大面积的寻走,四轮车能够比较快点,如果让四轮的轮臂能够想机械手一样,攀爬一些障碍也是小问题。
hkhtbbs 发表于 2008-12-16 09:39 | 显示全部楼层
NOROS-1的想象图中,具有可活动的车轮臂,但是从月球车的体积大小来看,车轮有些小,不能提供较大的接触面积,容易陷入月壤。
hkhtbbs 发表于 2008-12-16 15:00 | 显示全部楼层
刚找到以前搜集的意大利的月球车设计,他们已经正式报名参加Google Lunar X PRIZE,蜘蛛造型的月球车,他们和中国合作是不是也是为了参加比赛获得援助的一种方式?


Leader Name
Prof. Amalia Ercoli-Finzi
Craft Name
Ascensio Machinae Ad Lunam Italica Arte - AMALIA
Nationality
Italian




http://www.googlelunarxprize.org/lunar/teams/team-italia

[ 本帖最后由 hkhtbbs 于 2008-12-16 15:02 编辑 ]
 楼主| jingyan66 发表于 2008-12-17 22:15 | 显示全部楼层

MR-3的视觉导航子系统是浙大研发的

嫦娥二期工程前期研究成果——月球车功能样机通过验收
2008-8-22

月面巡视探测器(俗称月球车)于2008年4月23日在上海通过验收。依托于通信与信息系统国家重点学科的浙江大学信息与通信工程研究所、浙江省综合信息网技术重点实验室参加了上海市科委《月面巡视探测器总体研究及关键技术的研究》项目,承担了其中的关键子系统——机器视觉导航子系统的研发,在三维地形重建、双目立体摄像机等方面,做出了令人满意的结果。

在缺乏GPS导航体系的月球等外星球环境下,机器视觉导航成为主要的导航技术,月球车必须通过采集图像数据来自行建立地理位置参照系,自主行走和进行相关作业。近年来,通信与信息系统国家重点学科的刘济林教授科研团队在浙江省科技厅国际科技合作重点项目《月球表面移动机器人的导航和控制研究》(2005C14008)和国家自然科学基金重点项目《基于机器视觉传感器的月球车导航和控制》(60534070)的相继支持下,研究了基于机器视觉的各种导航传感器的基本理论和原型实现,解决月球车导航和控制的关键技术及理论,如航向测定,同时进行定位、地图和地形生成,路径规划,运动控制和局部避障等。还紧密结合实际需求,推广已取得的研究结果,与上海航天技术研究院合作,开展了嫦娥二期工程应用的前期研究。
 楼主| jingyan66 发表于 2008-12-17 22:17 | 显示全部楼层
浙大教授给月球车装“眼睛”


2008-8-22

  本报讯 在地面上开车现在越来越容易,有了GPS导航系统,走哪儿都“有人指挥”。但如果把汽车搬到月球上,无人驾驶,有警察指挥,没有GPS,怎么开?浙江大学信息与电子工程系刘济林教授等就研究出了带“GPS功能”的“眼睛”。不久前刚刚通过验收的上海市科委项目月面巡视探测器(俗称月球车),其“机器视觉导航子系统”的研发就是他的团队承担的。

  月球车有8只眼

  昨天,在刘济林教授的实验室,记者看到了模拟的月球车。

  车上竖起一根杆子,上面顶着3只“眼睛”(就是摄像机),车身上架着一台笔记本电脑,车体没有外接电源,也没有遥控装置。在一块几平方大小、还有一些石头的场地里,“月球车”启动了,不是一往直前,而是开开停停,停下来时就“东张西望”,眼睛里看到的东西立即反映在电脑里,最牛的是还能立即“画”出一幅三维地图,显示哪里有石头,石头有多大多高。然后月球车再想好怎么避开石头,继续往前开。

  刘济林说,这还不是完整的模型。“真正的月球车会有8只眼。车顶上有两对,一对叫导航相机,一对叫全景相机,能360°转向,看清周围地形的全貌;车身前和车身后还各有一对,叫避障相机,只能看4米远。当看清全貌、车子要前进或后退时,它们就发挥作用了。”

  当然,这样走一步就要停下来想一想,速度就慢了很多。“美国的火星车平均一天走不到10米远,我们的月球车也不会超过这个速度。”因为月球车只能依靠太阳能发电,功率小,用的CPU性能就差一些,再加上月球上有辐射,让CPU防辐射的过程又降低了它的性能,“它还达不到286电脑的水准。”

  在月球上会找不着北

  我们在地面上开车,有两件事很重要,一是方向,二是距离。从杭州去上海,告诉你上海在哪个方向,然后告诉你距离,你就能开车去了。可上了月球,这两件很简单的事情却变得很困难。

  “第一,方向在哪儿?在一片荒芜的月球上,既没有GPS导航系统,又没有指南针。因为月球不像地球那样有一大堆卫星围着它转,所以没有GPS;而指南针之所以在地球上能发挥作用,是依靠地球天然的磁性,地球南、北极就是两个大磁场,但月球没有磁性。”所以在月球上怎么“找到北”是很重要的。刘济林设计的这套视觉导航系统,就能让月球车根据太阳的高度角来测方向。

  第二,汽车都有一个里程表,根据里程表可以知道我们走了多远。但把这个里程表搬到月球车上就不行了。“美国的火星车就发生过一件事,车辆不断执行前进命令,可拍回来的照片却显示车在原地没动。原来车陷在坑里,原地打滑了。”刘济林设计了一套“双目视觉里程计”,月球车先在原地拍一张照,走两步后再拍一张,根据两张照片显示地形的差异,就可以算出走了多远。

  月球车光地面遥控不行

  记者好奇,为什么不能像玩地面遥控车那样遥控月球车?那不是更简单?可刘济林说地面遥控行走会有很多限制。“月球车的行走分3种,一种是人在地面遥控它走,这是最简单的;二是目标点走,就是从起点到终点之间设计几个目标点,让它按步骤走过去;三是自主走。直接给它一个终点,让它自己判断走过去。这是最难的。”

  “美国的火星车,如果全部使用地面遥控走,它一小时才能执行一次命令,因为从地球上传一个信息到火星上要花27分钟。而且最糟糕的是火星和地球之间的通讯不是一天24小时都能开通的,通讯窗口只能开通几小时。所以,现在月球车估计会混合使用3种行走方式。”

  月球车研究的巨大远景和意义,使它成为目前国内炙手可热的项目,至少有二三十家单位在研究。这其中视觉导航是难度最高的技术之一。刘济林说这个领域他已经研究了20年,而月球车的“眼睛”这个项目中方研究人员就有25人。从2005年开始,他们得到了浙江省综合信息网技术重点实验室建设经费的支持,并先后拿下了省科技厅国际科技合作重点项目和国家自然科学基金重点项目,在国内第一个介入了月球车“眼睛”的研究。

  本报通讯员 周姬梅

  本报记者 俞熙娜
 楼主| jingyan66 发表于 2008-12-17 22:19 | 显示全部楼层

静待12底的招标结果

我国月球车招标将于12月进行 研制经费超10亿


2008-11-4    新京报  作者:鲍颖   

  北京工业大学副教授居鹤华10月31日表示,我国月球车的招标工作将于今年12月底进行,明年初组织实施。
  
  在英国皇家工程院的资助下,英国萨里空间中心与北京工业大学副教授居鹤华,开展了月球巡视探测器的自主导航与控制技术研究。月球巡游探测器也可称为月球车,根据我国的探月计划,二期工程将送一个月球巡游探测器上到月球。居鹤华介绍说,该项目的招标工作将于下月底进行。据悉,招标工作结束后,将会对月球车项目初步形成一个总体方案,按照计划,明年初该项目将会组织实施。
  
  虽然目前国内许多科研院所都在研制月球车,“除含少部分的重复研究外,多数单位的研究各有侧重。”居鹤华认为,月球车最后的招标结果不该是一家,而应该综合各研制单位的强项,集中力量打造具有中国品牌的月球巡视探测器。
  
  月球车的造价很高,居鹤华告诉记者,他们第二代月球车花费为300万元,而即将开展的第三台月球车的预算估计在3000万左右。他估计,我国月球二期的巡视探测器的研制经费在十几亿元人民币左右。
  
  居鹤华指出,研制月球车,有以下难点:首先,月球重力仅有地球的1/6,会降低月球车的行进效率;其次,月表崎岖不平,有石块、有陨石坑,必须保证不打滑,不翻车,同时行走自如;第三,月球昼夜温差可达到300摄氏度以上,对材料要求非常高殊;最后,夜晚持续时间长,导致月球车休眠时间长,这对电源也是一个很大考验。
  
  根据计划,我国探月二期工程将于2012年前后发射,这意味着我国自主研发的月球车将会在2012年左右登上月球。据居鹤华透露,目前月球二期着陆器方案已由空间技术研究院初步确定。
古风居士 发表于 2008-12-21 21:07 | 显示全部楼层
国内已经有许多机构和研究所在做月球车,而且现在就已经有几家拿出了样机。我认为二期不会考虑外国的月球车,而是优先从国内的科研院所当中的选。中国使用自己的火箭将自己研制的月球车送上月球进行探测任务,有很大的意义,不仅仅是科研上,还有政治上的意义。
 楼主| jingyan66 发表于 2008-12-22 12:40 | 显示全部楼层
目前,国内研制机构推出的都是轮式的月球车,能达到具备翻转(跌倒后能翻身)能力的要求么?


探月工程披露月球车标准


2005/06/16

  法制晚报讯 “中国探月工程二期计划的核心——月球车的各项技术参数和需要完成的科研任务已经出台。下一步,将由全国范围内的科研单位展开公开竞争,制造‘中国版’的月球车。”昨日,中国“嫦娥工程”月球应用科学首席科学家、中国科学院院士欧阳自远首次对外透露了月球车开发研制的消息。

  奔月“嫦娥”勘探月球结构

  据欧阳自远介绍,此次的月球车研制项目将采取在全国公开招标的方式,发挥各科研院所的优势集体完成,以提高我国航天技术的整体科研水平,为下一步的火星探测计划储备力量。

  我国的月球探测工程分为“绕、落、回”三步。在第二期工程中,将在月球探测卫星探测的基础上,优选月球车着陆区,掌握月球软着陆技术。此后,将通过月球车、自动机器人技术实施科学探测目标,勘探月球的地质结构、地形等。

  月球车标准出台 全国公开竞争

  据悉,自我国探月计划获得国家批准开始,月球车就成为全国众多高校和科研单位的研究热点。航天集团502所、北京航空航天大学、清华大学、北京理工大学、中国科技大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学等十几家高校和科研单位均瞄准月球车项目,进行了先期的方案设计和研制。

  目前,关于月球车项目的研究,部分单位尚处在方案设计阶段,而有些单位已制作完成了模型样车,甚至在展览中公开亮相,参与热情可见一斑。

  据欧阳自远表示,这些单位、学校主要是在进行自主研制,多少带有一些盲目性,月球车的研制必须与月球的探测目标和探测要求结合起来。

  目前,月球车的各项技术参数及需要完成的科研任务已经出台,下一步的工作就是在全国科研单位中展开公开竞争,充分发挥各单位的优势,优选最适合月球探测指标的月球车。

  “摔爬滚打”在行还得适应太空环境

  据欧阳自远介绍,负责此次探月任务的月球车不但要具有前进、后退、转弯、爬坡、取物、采样和翻转(跌倒后能翻身)等基本功能,还要具备识别、爬越、绕过障碍物等初级人工智能

  此外,由于月球车需要在太空环境下执行探测任务,因此还必须具备航天器的特点,能适应太空的特殊环境。不仅要经得起发射、降落过程中的“摔、爬、滚、打”,还要受得住太空环境经年累月的“骚扰”。

  月球车上所使用的电子器件特别是对辐射尤为敏感的高集成度微电子器件,应当具有相应的抗辐射加固措施,并保证在长时间的月球极端温度以及低重力条件下能够正常工作。

  相关新闻

  确保“嫦娥”奔月追加投资6亿元

  据“嫦娥工程”月球应用科学首席科学家欧阳自远院士介绍,为确保我国绕月探测工程(“嫦娥工程”)的成功,国家有关部门近日决定,在已经投入14亿元的基础上,再追加投资6亿元。

  据了解,中国探月工程一期——绕月探测工程发射的“嫦娥一号”卫星是中国首颗绕月探测卫星,“嫦娥一号”将于今年8月全面进入设备投产阶段,预计2007年前发射。
 楼主| jingyan66 发表于 2008-12-22 12:49 | 显示全部楼层
哈工大学生04年写的《弹簧储能式月球车着陆器设计报告》,从中可以了解些月球车方案设计方面的DD
http://jwc.hit.edu.cn/sjpt_new/kjcx/cxcg/2004/1/1.doc
 楼主| jingyan66 发表于 2009-1-7 11:24 | 显示全部楼层

中国月球车将在月球开展近3个月探测任务

2008-11-03



                               
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图为北工大月球巡视探测器原理样机。


  北京工业大学副教授居鹤华昨日在接受记者采访时表示,按照计划,探月2期工程中,我国月球车将在月球开展为期近3个月的探测任务。

  居鹤华带领的研究团队正在和英国萨里空间中心进行合作,开展月球巡视探测器的自主导航与控制技术研究。

  昨日,记者见到了北京工业大学深空探测机器人研究中心的月球车样机,这是长1.1米、宽0.82米、高1.6米的六轮独立驱动机器人,从侧面看上去很像一只大天鹅。左右侧各两轮,前后侧各1轮,安装有太阳能电源系统、前后景立体视觉系统、远景立体视觉系统、小型高速激光雷达系统等。

  居鹤华告诉记者,这是他们完成的第二代月球车,重约75公斤,主要用于月球车的方案认证及相关导航与控制关键技术的研究。从明年开始研制第三代月球车,着重于提高其环境适应性、可靠性及多项技术指标。

  “按计划,我国月球二期工程的月球车要执行为期3个月球日探测任务。”居鹤华说,由于月球的自转比地球慢得多,月球上的一天相当于地球上的1个月,因此3个月球日相当于地球上的3个月。

  至于对月球进行采样,居鹤华告诉记者,他们正在跟奥地利合作,进行月球采样技术的研究。(记者鲍颖)
hkhtbbs 发表于 2009-1-10 22:51 | 显示全部楼层
达到具备翻转(跌倒后能翻身)能力的要求

这里的跌倒或者翻身,应该不是鲤鱼打挺式的,那样一折腾,设备上不就布满月沉了?尤其是太阳能电池,和摄像机。
普通的侧翻?

下载不了那个弹簧储能的论文,发个文字的看看
hkhtbbs 发表于 2009-1-10 22:53 | 显示全部楼层
弹簧储能式月球车着陆器设计报告
关山原野 刘川 杨婷婷
(机电工程学院01级)
指导教师:王少纯
1.立项依据
1.1课题研究的目的,意义:
(1)课题研究的目的:
① 通过课题的研究验证弹簧储能式月球车着陆器的可行性;
② 在设计过程中深化本专业知识,提高综合动手能力;
③ 培养团队精神,加强协作能力,提高合作开发的能力;
④ 争取提出有实用价值的机械结构,为中国航天研究工作出一份力量.
(2)课题研究的意义:
① 在研究和设计过程中,结合本专业知识,开发新结构,可加深理解和综合,增进对机电行业的了解;
② 研究的预期成果具有一定的实用性:月球探测是深空探测的重点,而在月球探测中,软着陆技术是一项关键的技术;因此,希望成为中国"嫦娥计划"的可行性方案之一.
1. 2现状分析:
国外研究着陆器的时间是在20世纪50年代,1959年,前苏联发射了人类历史上第一个成功落在月球表面的月球着陆器----luna 2.在接下来的几十年里,美国和前苏联又陆续发射了多个探测器.
目前,在国内着陆器的研究刚刚起步.目前,清华大学,哈尔滨工业大学,国防科技大学,航天科技集团502所等高等院校和科研院所相继开展了有关月球车方面的研究.所以,着陆器作为登月计划中的又一项重要技术的研究也势在必行.
2.课题研究的主要内容
本课题研究的主要内容是如何建立一套弹簧储能式月球车着陆器的模型,争取取得试验数据,为进一步的研究铺平道路,其具体组成包括:
① 储能系统
本系统设计为使用两级弹簧作为能量的储存机构,将下落的动能储存在弹簧中,这样可以更大限度的缩小体积,节省空间,同时减小可能对月球车机体造成的冲击和破坏;
② 着陆系统
一般而言,着陆面积越大,单位面积上受到的力便越小;但是,受限于体积及受力的总体分析,无法使用面着陆,只能在尽可能的条件下争取使受力面积增大,从而减低单位受冲击所需的强度要求.
③阻尼系统
作为月球车精密结构的承载机构,着陆器需要实现消耗能量,减小震动的作用,使月球车尽快停在合适位置,因此,就需要在弹簧储存能量的同时,利用可控的阻尼系统来实现能量和位置的控制.
④展开机构
在月球上着陆时,需要保证扬起的沙土及月球环境不会对月球车内的设备等造成损伤;在整个系统稳定着陆后,需要保证月球车可以安全,稳定的运行出着陆器,来履行月球车的任务.综上,需要有一套完整的展开机构来完成月球车的密封与展开工作.
⑤辅助机构
除了上述主要机构外,月球车的软着陆系统中还需要包括一些辅助机构:打开控制机构,使展开机构在合适的时候展开;卡紧机构,保证月球车在展开机构中存放时不会发生意外的移动或震动;锁紧机构,使系统在不工作的时候状态是确定的;等等.
3.课题分析与方案可行性讨论
3. 1问题的分析
本课题包括了上述提到过的五个部分,其中储能系统和阻尼系统是实现功能的核心,而着陆系统的好坏会直接影响储能,阻尼两系统的工作状态;展开机构虽然对系统理论分析而言不是关键内容,但从应用的角度分析,会直接导致整个系统是否有价值;而辅助机构则关联着各个部分,起到了系统构建的作用.
由此可见,整个着陆器的设计工作应该综合考虑多方面因素,兼顾各个结构之间的关系来进行结构的设计工作.由此,我们首先分析月球环境和航天应用,并在此基础上提出了一些可行性的方案,进行分析对比,完成了整个系统的设计工作.
3. 2月球环境介绍与分析
作为星空探测的第一站,月球的常识已经为科学工作者所熟知,我们通过多方面查找资料,得到了如下的相关信息:
①月球上没有大气,没有磁场,地质构造稳定,弱重力,高洁净的特殊自然条件和自然环境,是进行许多基础科学研究以及制备一些昂贵生物制品与特殊材料的理想场所.
②月球引力只有地球引力的1/6.由于没有大气的热传递,月球表面昼夜温差极大,初步测定在140±10℃~-170±10℃之间.
③月球目前没有全球性磁场存在,但月球的岩石有极微弱的剩磁.
④月球表面的地形不是平坦的,坑坑洼洼,主要是地形相对低洼的大型盆地,月球表面被月壤和尘埃覆盖着,一般厚度达5~10米.
月球的环境和高温差为系统的工作提出了较高的要求,使得材料的选择有些困难,而且很多场合中可以应用的气动,液动系统无法简单的使用;月球的微磁场便利了通讯,防止不必要的干扰,同时也限制了一些磁力系统的应用;月球的微大气使得外太空的颗粒,电磁等可以直接投射到月表,从而可能会对系统的正常工作造成影响;月表地形的复杂性要求我们提高着陆器系统的健壮性,应该足以适应一定的倾角和坑洼地势;等等.
3. 3材料选择
为了适应月球的环境,着陆器所使用的材料必须具有重量轻,足够的刚度与强度,能够耐受大温差等特性,因此可以选择的材料集中在常用的钢材,铝材以及特种橡胶等.
经过比较鉴别,我们选择了铝材,镁材作为设计的核心材料.
3. 4主要机构的可行性方案
在设计之前,我们已经通过基本分析,初步选定两级弹簧储能的方式来实现系统的架构(如图1所示),并且通过 Adams 进行了系统的模拟确认,然后分别对各主要机构提出了多种可行性方案,现简要叙述如下:
3.4.1 储能系统的可行性方案
相对单级储能式着陆器而言,两级储能具有体积小,弹性系数要求低的特点,因此可以把整个系统做得更小一些,从而可以较大限度的降低系统的重心,提高在冲击环境和坑洼地势下的抗倾覆能力.对于两级储能而言,就相应地存在压弹簧和拉弹簧(当然,还可能有扭转弹簧等)的选择问题,其中,外部储能的理想方案为压弹簧,而内部弹簧初步认定可以有如下较理想的方案:
①两级压弹簧
从受力的角度而言,这种方案具有可行性,而且使用压弹簧可以承受较大的冲击力,可以使整个系统的抗冲击能力有很大的提高.但压弹簧的不足在于必须要有一个本质上的不足,它一定会产生一个剩余的体积(即钢丝直径与匝数的乘积),这样就可能导致系统体积的增大和重心的提高.
②内部拉弹簧,外部压弹簧
这样,可以消除由于压弹簧所导致的体积增大问题.不足之处在于弹簧需要承担月球车的冲击重力,也可能产生一定的震动.
hkhtbbs 发表于 2009-1-10 22:54 | 显示全部楼层
3.4.2着陆机构
着陆机构的作用在于分散着陆器着陆时所受的集中力,减轻局部应力集中,并且防止着陆器插入松软的沙土中.通过研究现今已有的多种面接触方式,我们选择了常用的球铰结构.这种结构可以较大限度的增大接触面积,并且缩小体积和质量,达到一个理想的平衡点;而且,如果在球铰中加入小弹簧或其他的弹性体时,还可以起到第三级减震和储能效果.
3.4.3阻尼机构
阻尼机构的作用是消耗能量,减小震动,使月球车尽快停在合适位置,在工程中有多种成品机构可以使用,而作为月球着陆系统,我们设计了如下几种阻尼机构:
①液体阻尼机构
在弹簧筒中设置活塞,活塞两侧为液体油.当弹簧压缩时,活塞运动,液体油通过活塞旁的小孔相沟通,液体的流动对活塞产生阻尼作用,从而降低冲击速度,达到减小振动的目的.
②气体阻尼机构
在弹簧筒上设置气体流出的小孔,孔径大小会影响气体流速,从而调节活塞运动时的速度,阻碍活塞的过高速运动,产生阻尼作用;同时,气体具有较大的可压缩性,可以通过储能的方式暂时承受较大的冲击速度,减小对整个机械系统的冲击.
上述两种方案均为流体阻尼,阻尼效果较好,而且不会对机械系统造成不利影响;但是,月球环境的微大气,微压力使得流体阻尼必须达到较好的密封效果才能实现理想的功能,这就提高了整个系统的复杂性.因此,我们在考虑了上述方案之后,又设计了一套摩擦阻尼系统.
③摩擦阻尼机构
在弹簧筒中可以加入一对摩擦片,摩擦片内环与活动杆接触,在摩擦片外的筒上设置螺钉与摩擦片接触,调节螺钉的位置可以改变摩擦片对活动杆的阻尼力大小.这种阻尼机构简单易行,调节方便,而且可以适应复杂的环境,但是也有它的不足:摩擦损伤可能会影响接触面质量的变化,影响受力,甚至对活动杆的强度造成不利影响.
3.4.4展开机构
在着陆稳定前,将月球车由展开机构固定在下支撑板上,稳定后释放;展开机构在未展开时还承担着防尘的作用,因此我们设计了以下几种方案便于选择:
①机械式展开机构
如图2或图3所示,利用冲击使得机构展开.这样的结构简单,但由于冲击时系统尚未稳定,无法保证可靠性;而且,无法进行必要的控制,使得系统的抗影响能力较差.
②遥控爆炸式展开机构
此机构类似俄罗斯曾使用过的爆炸螺栓结构,通过通讯控制炸药爆炸造成的冲击时机构展开,可以实现机构的控制,但是会对系统造成一定的震动,可能会影响精密系统的性能.
③遥控电磁式展开机构
此机构通过远距离控制来达到开启展开机构的目的,主要包括控制信号接收部分和展开机械部分.控制信号接收部分可以采用宇航中常用的遥控装置来实现,展开机械部分则可以采用小电机或者电磁铁来完成,只需要达到展开的目的.而用于定位和防尘的部分,利用机械本体的箱式结构来实现,控制机构要控制箱式结构的打开部分(即箱式结构的门板).
3. 5最终方案的确定
通过对上述多种结构的比较和考虑,我们决定采取如下的方案来进行弹簧储能式月球车着陆器的设计:
①储能机构:内部拉弹簧,外部压弹簧;
②着陆机构:球铰结构;
③阻尼机构:摩擦阻尼机构;
④展开机构:遥控电磁式展开机构,以电机作为开启执行机构.
4.弹簧储能式着陆器的最终结构
在对可行性方案进行分析确定之后,我们对已确定方案的具体结构进行了详细的设计工作,最终确定设计结构如下:
①储能机构:内部拉弹簧,外部压弹簧;
内板上弹簧使用拉弹簧,其上端与上挡板相连,下端与载有月球车的运动下板相连,用来承受下板和月球车下落时的冲击力;外部弹簧使用压弹簧,放在外腿的活塞筒内部,下端与活塞接触,并且有一定的预压紧力.如图4,图5所示.
②着陆机构:球铰结构
球铰结构机械结构中规范的结构体,如图6所示.但在我们的模型设计中,因为尺寸较小引起加工相应比例的球铰比较困难,采用球的结构来代替球铰,增大了受力面积,结构图如图7所示.
③阻尼机构:摩擦阻尼机构;
在内部结构中,我们采取了摩擦阻尼机构,其具体结构如下图8所示.活动板上安装有阻尼器,阻尼器内部为一对阻尼片,与内导杆相接触,阻尼器上的螺钉拧紧时可以使阻尼片与内导杆之间的摩擦增大,从而达到调整阻尼的作用.阻尼器上端与拉弹簧相连,使弹簧连接到运动下板上.
④展开机构:遥控电磁式展开机构,以电机作为开启执行机构.
月球车的定位及防尘机构采用封闭式结构,如图9所示,由一块门板,三块封闭板和运动下板组成,其中使用弹簧等对月球车进行压紧,使其位置确定.在门板上安装有销钉,用来将门板与整个封闭箱连接;当遥控系统控制电机转动时,销钉被拉出,门板与封闭箱的连接消失,门板在弹簧的作用下打开(如图10所示),从而为月球车铺设了轨道,月球车可以在控制下沿着门板轨道开出.
综合上述结构,我们设计完成的弹簧储能式月球车的结构如下图11所示.
设计完成后,我们购买材料,利用一个多月的时间制作了一个着陆器模型,下图12,图13所示即为实物模型.
图12 实物模型
图13 实物模型
5. 心得体会
我们在2003年十月份在王老师的指导下申报本科生科技创新项目并得到批准,开始了查找资料和设计的过程.在这近一年的时间中,我们几个人了解了各方面已有的成果,分析它们的优劣,并提出各种不同的结构,比较,争论,考察,模拟,分析,终于确定了最终的方案;然后又到材料市场买材料,到处寻找可能用到的现成的结构,我们几乎跑遍了哈尔滨所有的机械材料,装饰材料的市场,终于购齐了所有的材料,并且使用气缸来代替已设计好的外腿结构,节省了很多的时间和资金.现在回顾设计的过程,反思曾犯过的错误和走过的岔路,我们感慨颇多.
从没有任何设计经验的新手,我们逐渐摸索设计的规律,试图把书本上学到的知识应用到实际中,却发现很多知识都是需要灵活思考和应用的.当我们提出的一个个方案被加工方案否定时,我们明白了设计者必须考虑加工工艺,装配工艺这个老师曾不止一次强调过的问题,明白了作为一体化工程的一个组成部分,不管是设计,制造还是装配,都要充分考虑上一步工作做了什么,考虑需要我们完成什么任务,考虑下一步还要去干什么,这样才能统观全局,建立完整的设计理念,统筹兼顾,完成一套最优化设计.
设计出一种市场上暂时买不到的标准件或材料,是一个初次搞设计的人常常会犯的错误;针对这个问题,王老师指导我们首先去跑市场,认定要使用的材料和标准件可以购买到,并且发掘是否有现成的市售零件来代替设计结构,使得我们对市场有了一定的了解,又选择了合适的材料和零件来完成设计工作.在此,我们对王少纯老师表示衷心的感谢.
反思我们的设计过程,有过不甚完美的地方,我们的着陆器也有着很多可以进行改进的地方;况且,我们还没有拿到具体的实验数据,没有验证本系统是否适合实际的工作环境.如果有机会和时间,我们会继续下去,争取可以完成整体结构的最佳方案验证,取得更好的效果
通过这次科技创新活动,我们深刻地理解了机械设计相关的很多问题,设计过程给我们增添了很多实践经验.当然,也是我们发现了不少自身的不足之处,这为我们以后参加工作打下了一定的基础.因此,我们也衷心感谢学校为我们提供了这样一个好的学习和实践机会.
弹簧储能式月球车着陆器设计报告
哈尔滨工业大学2004年本科生科技创新活动获奖作品汇编
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