cynthia-多功能月球营地机器人

Science and Technology &Innovation ┃科技与创新
2020年第05期
·105·
文章编号：2095－6835（2020）05－0105－02
Cynthia-多功能月球营地机器人
赵天昊，乔灵凤，彭竟仪
（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070）
摘要：通过对目前月球基地的假设分析，并根据月球基地假设设计建模月球车，提出设计一种多功能月球车，
为宇航员提供辅助搭建营地、搬运物体、采集月球样品等服务。

拟对其进行机械结构设计，包括机构运动设计、零件结构设计，使用inventor 进行机械零件、部件设计及模拟装配，并对其关键部件进行尺寸校核和强度校核，其中应力分析部分使用inventor 中自带的应力分析模块进行仿真模拟。

整体设计中主要围绕其预期完成的功能进行设计，对不同的机构进行组合创新，拟实现预定目标。

关键词：月球营地；多功能月球车；洞穴；宇航员中图分类号：G634.55文献标识码：A
DOI ：10.15913/ki.kjycx.2020.05.042
1引言
目前，国际上各个国家都在筹划着极区着陆，并提出了月球基地的设想。

由于月球没有大气层，无法防止陨石的撞击，所以造成了凹凸的月球表面。

所以，最好的基地结构形式就是洞穴，以现有的洞穴类月球基地假想作为基础，在探月车成功登陆后，3D 打印机器人将展开自动化建造工作，堆叠出类似骨骼的高强度多孔结构。

月球场地的特殊性使得传统月球机器人的驱动部分很难在不影响正常行走的情况下对宇航员进行辅助，无法在保障机器人安全性的同时高效、快速地采集样品。

因此可以看出，设计针对搭建营地的机器人具有十分重要的价值。

2技术方案2.1总体设计
多功能月球营地机器人依据月球地形、月球重力、月球基地设想进行有针对性的创新设计，采用模块化设计思想，该机器人主要实现对月球营地的辅助搭建、样品的采集、情况的勘测等功能，其整体模型如图1
所示。

图1多功能月球营地机器人
该机器人主要包括太阳能板展开模块、轮腿结合行走模块、多功能机械爪模块、全方位监控模块以及仿太空船造型
设计的外舱。

太阳能板展开模块由皮带轮驱动齿轮带动剪叉机构完成太阳能板的上下运动，再由伞状推杆将太阳能板展开拼接；轮爪结合行走模块主要完成轮腿部分的切换，通过行星轮内轮、轮毂啮合行星轮外轮与轮胎外齿结合，并通过行星轮内外的差速驱动快门机构，快门机构将抓地爪推出，增大与地面的摩擦力，之后轮胎被摩擦片锁死，由连杆驱动四腿行走；多功能机械爪模块由1个六自由度的机械臂、三爪机械爪和换刀盘组成，主要由电机带动齿轮的旋转调节机械臂三轴方向的运动，由不完全齿轮控制机械爪的抓取模式，机械爪可以抓取换刀盘上的各个工具进行不同功能（推土、采样、勘测等）的切换；全方位监控模块主要为装在机器人头部透明玻璃罩内的摄像头，可以全方位地检测机器人周围的情况并向地面传回资料；机器各个部位都可以折叠或展开，折叠时体积缩至最小，呈现太空船的造型，对内部各个模块进行保护，展开时实现各种功能，呈现月球车的外形，提高了工作效率。

2.2太阳能板展开模块
如图1所示，太阳能板展开模块主要由皮带轮驱动、升降驱动齿轮组、剪叉升降机构、太阳能板、伞状推杆电机组成。

由于探月飞船的空间利用率要求极高，对于太阳能板，展开面积与能量提供能力成正比，所以本机器人的太阳能板设计应具有折叠的能力，以较小的空间获得更多的能量。

当机器人仍在飞船中时，太阳能板模块剪叉机构处于收缩状态，伞状推杆未撑开，整个模块处于机器人外壳两侧的空间中。

当机器人检测到已经落地后，开始收集太阳能提供运行能量，电机利用预备能量驱动皮带轮旋转，皮带轮带动
剪叉机构中的齿轮旋转，齿轮通过键与剪叉机构的下支撑杆配合，带动其旋转，从而驱动剪叉梁，使剪叉机构伸长，太阳能板整体上升至外部。

剪叉升降机构的上支撑杆与中间支
科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·106·2020年第05期
撑块固定，利用剪叉机构的直线运动特性实现了太阳能板模块的升降，上升至最高点后，伞状推杆中的推杆伸长，通过连杆机构将太阳能板展开至最大，完成太阳能板的升降与展开。

2.3多功能机械爪模块
多功能机械爪模块主要由机械爪、换刀盘等部分组成，机械爪采用六自由度机械爪，折叠时可以紧贴车体底面，减少机械爪所占体积；机械爪前端采用仿车床三爪卡盘设计，适应性强，同时每个机械爪个体可以单独旋转，可操作性增强；换刀盘部分采用斜齿轮锥形减速器驱动旋转，换刀盘有针对不同情况的各种刀具，用于适应多种工作所需。

多功能机械爪模块主要实现月球车的采样及月球搭建功能，采样功能主要由机械抓手与换刀盘部分实现，遇到需要采集的样本时，首先由控制部分判断如何采集样品，如果样品可直接采集，则采用机械爪将其采集；如果样品不可直接采集，则通过月球车内电机驱动减速器旋转换刀盘使用钻头等工具对样品进行辅助采集，通过钻头钻开样品表面覆盖物后，使用机械爪取出样品。

2.4全方位监控模块
全方位监控模块主要由透明保护罩、全方位摄像头两部分组成，透明玻璃罩主要防止在飞行时摄像头被撞击，摄像头底采用齿轮转盘完成对月球周围任意角度的监控和探测。

摄像头的作用为对月球环境进行观察并传输回系统中，所以摄像头采用两自由度设计，可在一定高度内进行180°的观察。

由于摄像头对环境要求较高，所以摄像头外设有透明玻璃层，其具有保护内摄像头的作用，同时透明玻璃层采用特种玻璃材料，具有有效抵挡各种射线的功能，提高了摄像头的画面传输能力。

2.5行走模块
驱动模块主要由底盘支架、轮腿驱动模块组成，底盘支架较高，可以有效避障。

由于月球没有大气层，导致陨石直接撞击月球表面，月球表面坑洞极多，同时碎石地等各种复杂地形大大增大了行走模块的压力，所以本项目组设计了轮腿驱动模块。

该模块具有轮式和腿式两种模式，轮式在适应普通地形上具有一定优势，当改变地形时，轮式变形，抓地爪伸出，以提高抓地力，可以用于适应一般的地形模式；在遇到极其复杂的地形时，刹车片将车轮锁死，采用推杆驱动车轮腿式行走，适应地形能力增强。

轮腿驱动模块由越野式车轮、行星轮组、快门机构组成，越野式车轮的使用提高了月球车的适应能力，车轮的驱动依靠电机直接驱动，四轮独立驱动，车轮的换向主要通过左、右轮的差速实现。

当车体检测到地形过于复杂时，车轮内的行星轮内圈通过电磁铁吸引与轮毂配合，行星轮外圈一直与轮胎外圈配合，当行星轮内圈与轮毂内圈配合时内外轮形成差速，差速驱动快门机构推出着地爪，增加了抓地力，提高
了越障能力。

2.6样品整理模块
样品整理模块主要由两个部分组成，分别为单向开合机构与整理机构。

当机械臂将机械爪伸入单向开合机构中时，机械爪向内松开样品，样品在单向开合机构中留下，同时整理模块旋转，将样品转至收集盒中，随后再次旋转，将样品集中。

2.7控制模块
机电一体化和智能控制已经成为现今机械行业的发展趋势，为实现捡球机器人各部分的正常有序工作，在机器人内部安装了控制模块，其主要控制流程如图2
所示。

图2控制流程图
3结论
该机器人能取代目前的月球车，多种功能的结合减少了其他设备的投入，节省了资金成本。

在实现功能的同时，提升了宇航员的舒适度。

结构设计提高了机器人的适应性，满足了在月球表面行走、搭建营地、监控勘测需求。

该机器人机构设计合理，各项数据分析均符合设计标准，安全可靠；机器人造型美观，实用性强，在月球营地设想越来越被人们关注的今天，该机器人具有较为广阔的应用前景。

参考文献：
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［4］唐增宝，常建娥.机械设计课程设计［M］.3版.武汉：华中科技大学出版社，2006.
〔编辑：张思楠〕。