高通过性与平稳性月球车移动系统设计
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Ｒｏｃｋｙ７是火星车ｓｏｊｏｕｒｎｅｒ的改进型，其摇臂 式悬架的副摇臂如图ｌ所示。
为了提高副摇臂的越障性能，将副摇臂顺时针 倾斜一定角度进行越障性能分析，如图２所示。
定义Ｆｌ、珀、Ｒ和％分别为车轮ｌ与副摇臂 连接点副摇臂所受到的外力、外力矩、车轮２与副 摇臂连接点副摇臂所受到的外力、外力矩。上ｌ、三２
同理证明，当副摇臂顺时针倾斜一定角度后， 车轮２的越障能力也增加。
根据机构学理论，如图３所示的正四边形机构， 为倾斜副摇臂的等效机构，其末端点的运动和受力 相等。由以上分析可知，正四边形机构的越障能力 高于摇臂悬架的副摇臂机构。
图３倾斜的副摇臂及正四边形机构示意图
万方数据
２００８年１２月
陈百超等：高通过性与平稳性月球车移动系统设计
乙２一ｔ。＝≠＋局 Ｌ５
式中Ｋｌ、恐为常量系数且足ｌ＞Ｏ。则必然可以通过 选择三５的长度使疋ｌ一７乏＞０。
综上得知，合理的设计反四边形机构，其越障 能力大于主摇臂机构。 １．３正反四边形悬架设计
由以上分析可知，正四边形机构的越障能力优 于摇臂悬架的副摇臂机构。反四边形机构的越障能 力优于摇臂悬架的主摇臂机构。由此可以推断由这 两种机构组成的新型悬架一正反四边形悬架，其越 障性能优于传统的摇臂悬架。正反四边形悬架结构 如图５所示。
１４５
１．２反四边形机构设计 为提高主摇臂的越障性能，提出了一种反四边
形机构，如图４所示，并将其与摇臂悬架的主摇臂 进行越障性能对比。
Ｇ
Ｇ
铰接围成反四边形机构。连杆１、连杆３和连杆６ 的末端连接前轮、中轮和后轮。左右两侧的连杆４ 与两半轴固接，两半轴的另一端与差速机构连接， 差速机构固定在载荷平台上。
ｖｅｒｉｆｙ ａｂｏｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｈａｓ ｓｔｒｏｎｇ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃａｌｌ ｋｅｅｐ ｃａｂ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｍｏｏｔｈ ｄｕｒｉｎｇ ｃｌｉｍｂｉｎｇ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｎ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｖｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｓ ｆａｒ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｏｏｒ ｔｒａｆｆｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｒｏａｄ ｃａｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｔｒａｆｆｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｒｏａｄ ｃａｎｄｉｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｗｈｅｅｌ Ｌｕｎａｒｒｏｖｅｒ
连杆ｌ、连杆２、连杆３和连杆４相互铰接围成 四边形机构，连杆２、连杆４、连杆５和连杆６相互
图５正反四边形悬架模型
２悬架性能仿真分析
２．１仿真模型 为了检验正反四边形悬架的性能，将其与美国
大，说明车轮３越障能力越强。瓦ｌ、％可通过式（１）、
（２）表示
瓦ｌ＝［ｓｉｎ屈×（岛＋厶＋ｃｔａｎ６×Ｈ１）＋
ＣＯＳ屈ｘＨｌ］ＸＦ３一耳３一Ｇ×／．３
（１）
ｅ‘，：：２ｌ刍Ｉ—堕面！鱼历±五盟兰忑尘矿堑××ｓｓｎｉｎ聊材＋＋
］
岛ｘｓｉｎ屈ｌ×（厶＋厶）一Ｇ×厶
（２）
ｊ
为了分析方便，不妨取Ｊ＝ｇ＝４５０，代入式（１）、 （２），两式之差可表示
ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｌｕｎａｒ ｒｏｖｅｒ．Ａｎ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｒａｆｆｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃａｂ ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆｈａｒｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｔ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆｔｈｅ ｏｂｖｅｒｓｅ－ｒｅｖｅｒｓｅ ｆｏｕｒ－ｌｉｎｋａｇｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｎｅ—ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｗａｌｋｉｎｇ ｗｈｅｅｌ．Ｔｈｅ ｏｂｖｅｒｓｅ－ｒｅｖｅｒｓｅ ｆｏｕｒ－ｌｉｎｋａｇｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｓ ａ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｆｏｒ ｓｉｘ—ｗｈｅｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｉｔ Ｃａｌｌ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｈａｖｅ ｓｔｒｏｎｇ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｋｅｅｐ ｃａｂ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｍｏｏｔｈ ｄｕｒｉｎｇ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｒｏｃｋｙ—ｂｏｇｉｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃｓ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｓａｎｄｙ ｓｏｉｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｉｎｃｏｍｐａｅｔ ｄｅｇｒｅｅ，ｔｈｅ ｖａｎｅ—ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｗａｌｋｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗｈｅｅｌ ａｎｄ ｓｏｉｌ，ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ｃａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｖａｎｅ ｉｎｔｏ ｓｏｉｌ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｖｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅ ｔｅｓｔｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｏｎｅ ｔｏ
图４主摇臂和反四边形机构尺寸及受力参数图
设定两机构相关部位尺寸相同，外界对两机构 的作用相同。图４中Ｇ为载荷平台重力，Ｒ，％ 分别为遇障时作用在两机构末端外力、外力矩。上３， 厶、厶、凰、岛、巧和珂分别为长度和角度。设置 瓦ｌ，瓦２分别为作用在两机构末端的平衡反力矩。 该力矩为零时，表示杆件进入逆时针旋转的临界状 态，也就是车轮３越障抬起的临界状态。该力矩越
０前言
我国已决定在探月工程第二期中，向月球发射 月面着陆器，并携带一台月面巡视探测器（月球车），
‘国家自然科学基金资助项目（５０６７５０８６）。２００７１２２０收到初稿。 ２００８０９１９收到修改稿
实现月表的环境探测。资料显示，月球表面无规律 的分布着大小形态不同的石块、环形坑和斜坡，月 壤的颗粒度及松散程度变化范围较大…。这些恶劣 的行驶条件对传统的车辆移动系统提出了挑战。迄 今为止。到访过月球的车辆仅为美国的有人驾驶月 球车ＬＲＶ和前苏联的无人驾驶月球车Ｌｕｎｏｋｈｏｄ Ｉ 和ＬｕｎｏｋｈｏｄⅡ。ＬＲＶ曾出现严重的车轮下陷，最
～
（１．吉林大学交通学院长春１３００２５； ２．中国空间技术研究院北京 １０００９４）
摘要：月表行驶环境恶劣，这对月球车移动系统提出了更高的要求。为提高月球车的移动能力，提出一种具有高通过性和载 荷平台平稳性的新型月球车移动系统。该移动系统由正反四边形机构悬架和伸缩叶片复式步行轮组成。正反四边形悬架是一 种适用于六轮月球车的非独立悬架，通过与摇臂式悬架进行受力和姿态运动的对比分析和仿真对比分析可知，它可以使月球 车具有较高的越障性能并在越障过程中保证载荷平台的相对平稳。同时，针对不同松散程度的月壤，根据车轮一土壤力学原 理，设计出伸缩叶片复式步行轮。该种车轮最突出的特点是能够根据车轮与土壤间的相互作用关系，自适应调节叶片入土深 度，从而改变车轮的牵引能力、平顺性和能耗。对该种移动系统进行多项移动性能试验。结果表明，该种新型移动系统具有 较高的越障能力和保持载荷平台平稳能力，能够在恶劣路况下最大限度的发挥车轮的牵引能力，而且在路面通过性良好时尽 可能的节约能耗，增加车轮滚动的平顺性。 关键词：新型移动系统悬架车轮月球车 中图分类号：ＴＰ３０２
为铰接点与车轮ｌ、２中心点的距离，霸、乃为副摇 臂所受的越障主动力矩（Ｊｗｌ页时针力矩）、越障阻力矩 （逆时针力矩），厶ｌ、三ｂ２为乃、疋的力臂，仅ｌ、ａ２、 声Ｉ、尾分别为副摇臂、风、局与水平面的夹角，ｙｌ、 仡为副摇臂与越障主动力矩力臂、越障阻力矩力臂 夹角。当外界环境已知，，ｌ、，２、∥ｌ、仍、％、％、 厶和如已知。
图１ Ｒｏｃｋｙ７及其悬架示意图
图２副摇臂尺寸及越障受力参数图
当车轮１遇障时，通常０邻１＜９００，０＜ｆ１２＜９００。 从图２中可以看出，），ｌ越小厶ｌ越大，从而孔越大。 因为口ｌ＋Ｐｌ＋７１－－９００，所以当五最大时（ｎ－－ｏ），反ｌ的 值在０＂９００之间，即副摇臂顺时针倾斜一定角度 后，车轮１的越障主动力矩最大。副摇臂从水平位 置顺时针旋转一定角度后，啦增加，由于 Ｔ２＝Ｆ２Ｌｂ２≈犯２ｓｉｎ（ｆ１２一眈），所以死减小，即车轮ｌ 的越障阻力矩减小。综上，当副摇臂顺时针倾斜一 定角度后，车轮１的越障能力增加。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｔｒａｆｆｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｃａｂ Ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ ｆｏｒ Ｌｕｎａｒ Ｒｏｖｅｒ
ＣＨＥＮ Ｂａｉｃｈａ０１ ＷＡＮＧ Ｒｏｎｇｂｅｎｌ ＪＩＡ Ｙａｎ９２ ＪＩＮ Ｌｉｓｈｅｎ９１ ＧＵＯ Ｌｉｅｌ （１．Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００２５；
２．Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｒｒａｉｎ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｏｎ ｓｌＩｒｆａｃｅ ａｒｅ ｈａｒｄ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ ｍｏｖｅ．ＳＯ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｌ＂ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ ａｒｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒ
万方数据
机械工程学报
第４４卷第１２期
后不得不由宇航员帮助移动。Ｌｕｎｏｋｈｏｄ ＩＩ也曾经在 环形坑斜坡上出现打滑下陷【２ｌ，最后不得不放弃原 定的行驶路线。因此，传统的悬架和车轮可能不能 够很好的满足月球车完成月表巡视探测对其移动系 统的要求。
月球车的越障能力和保持载荷平台平稳能力 主要取决于悬架机构。月球车的附着牵引能力、行 驶平顺性和能量消耗主要是由车轮决定的。为了提 高月球车悬架的性能，国外已经研制了多种类型的 悬架机构。例如，ＮＡＳＡ将摇臂式悬架１３】应用于 ｓｏｊｏｕｍｅｒ、ＭＥＲ、ＦＩＤＯ和ＳＲＲ等行星／试验样车上， ＥＳＡ和俄罗斯Ｒｏｖｅｒ科技有限公司联合研制出ＲＣＬ Ｃｏｎｃｅｐｔ系列样车悬架，ＡＳＬ研制出了ＣＲＡＢ、 ＤｏｕｂｌｅＳｐｆｉｎｇ系列样车悬架【４】，瑞士联邦技术学院 研制了Ｓｈｒｉｍｐ样机悬架［５】，日本宇航中心、梅基大 学、绰大学联合研制的ＰＥＧＡＳＵＳ悬架等【６Ｊ。这些 悬架机构在一定程度上提高了月球车移动系统的能 力，但每种机构都存在其不足和缺点，对提高悬架 性能的设汁还存在一定空间。国外对行星探测车车 轮的设计也是多种多样的，如前苏联为Ｌｕｎｏｋｈｏｄ 设计的弹性筛网轮，ＮＡＳＡ为ＬＲＶ设计的弹性胎 轮，为火星车设计的刚性槽状和针状履刺轮，以及 瑞士、德国等开发的柔性车轮等［７１。由于月表土壤 的多样性，不同特性的土壤对车轮的要求也不同， 因此，传统车轮往往存在通过性、平顺性、能耗之 间的矛盾。为了权衡矛盾，在设计车轮时，不得不 降低其单项性能。
第４４卷第１２期 ２００８年１２月
机械工程学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ｖ０１．４４ Ｎｏ．１２
Ｄｅｃ．
２０ ０８
ＤｏＩ：ｌＯ．３９０１／ＪＭＥ．２００８．１２．１４３
同Ｃｊ ．．＿＿ＪＬ＿＿。 通过性与平稳性月球车移动系统设计木
陈百超１王荣本１ 贾 阳２金立生１ 郭 烈１
为了进一步提高悬架的性能，本文提出了一种 创新型的月球车悬架机构——正反四边形悬架。同 时，针对传统车轮存在的问题，开发出一种能够根 据土壤特性自动调节车轮状态的可变车轮——伸缩 叶片复式步行轮。
１正反四边形悬架设计
由于摇臂式悬架经历过火星环境的考验，具有 很强的实用性。因此在设计新型悬架时，有必要将 其作为参考。 １．１正四边形机构设计
为了提高副摇臂的越障性能，将副摇臂顺时针 倾斜一定角度进行越障性能分析，如图２所示。
定义Ｆｌ、珀、Ｒ和％分别为车轮ｌ与副摇臂 连接点副摇臂所受到的外力、外力矩、车轮２与副 摇臂连接点副摇臂所受到的外力、外力矩。上ｌ、三２
同理证明，当副摇臂顺时针倾斜一定角度后， 车轮２的越障能力也增加。
根据机构学理论，如图３所示的正四边形机构， 为倾斜副摇臂的等效机构，其末端点的运动和受力 相等。由以上分析可知，正四边形机构的越障能力 高于摇臂悬架的副摇臂机构。
图３倾斜的副摇臂及正四边形机构示意图
万方数据
２００８年１２月
陈百超等：高通过性与平稳性月球车移动系统设计
乙２一ｔ。＝≠＋局 Ｌ５
式中Ｋｌ、恐为常量系数且足ｌ＞Ｏ。则必然可以通过 选择三５的长度使疋ｌ一７乏＞０。
综上得知，合理的设计反四边形机构，其越障 能力大于主摇臂机构。 １．３正反四边形悬架设计
由以上分析可知，正四边形机构的越障能力优 于摇臂悬架的副摇臂机构。反四边形机构的越障能 力优于摇臂悬架的主摇臂机构。由此可以推断由这 两种机构组成的新型悬架一正反四边形悬架，其越 障性能优于传统的摇臂悬架。正反四边形悬架结构 如图５所示。
１４５
１．２反四边形机构设计 为提高主摇臂的越障性能，提出了一种反四边
形机构，如图４所示，并将其与摇臂悬架的主摇臂 进行越障性能对比。
Ｇ
Ｇ
铰接围成反四边形机构。连杆１、连杆３和连杆６ 的末端连接前轮、中轮和后轮。左右两侧的连杆４ 与两半轴固接，两半轴的另一端与差速机构连接， 差速机构固定在载荷平台上。
ｖｅｒｉｆｙ ａｂｏｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｈａｓ ｓｔｒｏｎｇ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃａｌｌ ｋｅｅｐ ｃａｂ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｍｏｏｔｈ ｄｕｒｉｎｇ ｃｌｉｍｂｉｎｇ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｎ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｖｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｓ ｆａｒ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｐｏｏｒ ｔｒａｆｆｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｒｏａｄ ｃａｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｔｒａｆｆｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｒｏａｄ ｃａｎｄｉｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ Ｗｈｅｅｌ Ｌｕｎａｒｒｏｖｅｒ
连杆ｌ、连杆２、连杆３和连杆４相互铰接围成 四边形机构，连杆２、连杆４、连杆５和连杆６相互
图５正反四边形悬架模型
２悬架性能仿真分析
２．１仿真模型 为了检验正反四边形悬架的性能，将其与美国
大，说明车轮３越障能力越强。瓦ｌ、％可通过式（１）、
（２）表示
瓦ｌ＝［ｓｉｎ屈×（岛＋厶＋ｃｔａｎ６×Ｈ１）＋
ＣＯＳ屈ｘＨｌ］ＸＦ３一耳３一Ｇ×／．３
（１）
ｅ‘，：：２ｌ刍Ｉ—堕面！鱼历±五盟兰忑尘矿堑××ｓｓｎｉｎ聊材＋＋
］
岛ｘｓｉｎ屈ｌ×（厶＋厶）一Ｇ×厶
（２）
ｊ
为了分析方便，不妨取Ｊ＝ｇ＝４５０，代入式（１）、 （２），两式之差可表示
ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｌｕｎａｒ ｒｏｖｅｒ．Ａｎ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｒａｆｆｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｃａｂ ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆｈａｒｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｉｔ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆｔｈｅ ｏｂｖｅｒｓｅ－ｒｅｖｅｒｓｅ ｆｏｕｒ－ｌｉｎｋａｇｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｎｅ—ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｗａｌｋｉｎｇ ｗｈｅｅｌ．Ｔｈｅ ｏｂｖｅｒｓｅ－ｒｅｖｅｒｓｅ ｆｏｕｒ－ｌｉｎｋａｇｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｓ ａ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｆｏｒ ｓｉｘ—ｗｈｅｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｉｔ Ｃａｌｌ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｈａｖｅ ｓｔｒｏｎｇ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｋｅｅｐ ｃａｂ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｍｏｏｔｈ ｄｕｒｉｎｇ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｒｏｃｋｙ—ｂｏｇｉｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃｓ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｓａｎｄｙ ｓｏｉｌ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｉｎｃｏｍｐａｅｔ ｄｅｇｒｅｅ，ｔｈｅ ｖａｎｅ—ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｗａｌｋｉｎｇ ｗｈｅｅｌ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗｈｅｅｌ ａｎｄ ｓｏｉｌ，ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ｃａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｖａｎｅ ｉｎｔｏ ｓｏｉｌ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｖｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｒｉｄｅ ｃｏｍｆｏｒｔ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅ ｔｅｓｔｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｏｎｅ ｔｏ
图４主摇臂和反四边形机构尺寸及受力参数图
设定两机构相关部位尺寸相同，外界对两机构 的作用相同。图４中Ｇ为载荷平台重力，Ｒ，％ 分别为遇障时作用在两机构末端外力、外力矩。上３， 厶、厶、凰、岛、巧和珂分别为长度和角度。设置 瓦ｌ，瓦２分别为作用在两机构末端的平衡反力矩。 该力矩为零时，表示杆件进入逆时针旋转的临界状 态，也就是车轮３越障抬起的临界状态。该力矩越
０前言
我国已决定在探月工程第二期中，向月球发射 月面着陆器，并携带一台月面巡视探测器（月球车），
‘国家自然科学基金资助项目（５０６７５０８６）。２００７１２２０收到初稿。 ２００８０９１９收到修改稿
实现月表的环境探测。资料显示，月球表面无规律 的分布着大小形态不同的石块、环形坑和斜坡，月 壤的颗粒度及松散程度变化范围较大…。这些恶劣 的行驶条件对传统的车辆移动系统提出了挑战。迄 今为止。到访过月球的车辆仅为美国的有人驾驶月 球车ＬＲＶ和前苏联的无人驾驶月球车Ｌｕｎｏｋｈｏｄ Ｉ 和ＬｕｎｏｋｈｏｄⅡ。ＬＲＶ曾出现严重的车轮下陷，最
～
（１．吉林大学交通学院长春１３００２５； ２．中国空间技术研究院北京 １０００９４）
摘要：月表行驶环境恶劣，这对月球车移动系统提出了更高的要求。为提高月球车的移动能力，提出一种具有高通过性和载 荷平台平稳性的新型月球车移动系统。该移动系统由正反四边形机构悬架和伸缩叶片复式步行轮组成。正反四边形悬架是一 种适用于六轮月球车的非独立悬架，通过与摇臂式悬架进行受力和姿态运动的对比分析和仿真对比分析可知，它可以使月球 车具有较高的越障性能并在越障过程中保证载荷平台的相对平稳。同时，针对不同松散程度的月壤，根据车轮一土壤力学原 理，设计出伸缩叶片复式步行轮。该种车轮最突出的特点是能够根据车轮与土壤间的相互作用关系，自适应调节叶片入土深 度，从而改变车轮的牵引能力、平顺性和能耗。对该种移动系统进行多项移动性能试验。结果表明，该种新型移动系统具有 较高的越障能力和保持载荷平台平稳能力，能够在恶劣路况下最大限度的发挥车轮的牵引能力，而且在路面通过性良好时尽 可能的节约能耗，增加车轮滚动的平顺性。 关键词：新型移动系统悬架车轮月球车 中图分类号：ＴＰ３０２
为铰接点与车轮ｌ、２中心点的距离，霸、乃为副摇 臂所受的越障主动力矩（Ｊｗｌ页时针力矩）、越障阻力矩 （逆时针力矩），厶ｌ、三ｂ２为乃、疋的力臂，仅ｌ、ａ２、 声Ｉ、尾分别为副摇臂、风、局与水平面的夹角，ｙｌ、 仡为副摇臂与越障主动力矩力臂、越障阻力矩力臂 夹角。当外界环境已知，，ｌ、，２、∥ｌ、仍、％、％、 厶和如已知。
图１ Ｒｏｃｋｙ７及其悬架示意图
图２副摇臂尺寸及越障受力参数图
当车轮１遇障时，通常０邻１＜９００，０＜ｆ１２＜９００。 从图２中可以看出，），ｌ越小厶ｌ越大，从而孔越大。 因为口ｌ＋Ｐｌ＋７１－－９００，所以当五最大时（ｎ－－ｏ），反ｌ的 值在０＂９００之间，即副摇臂顺时针倾斜一定角度 后，车轮１的越障主动力矩最大。副摇臂从水平位 置顺时针旋转一定角度后，啦增加，由于 Ｔ２＝Ｆ２Ｌｂ２≈犯２ｓｉｎ（ｆ１２一眈），所以死减小，即车轮ｌ 的越障阻力矩减小。综上，当副摇臂顺时针倾斜一 定角度后，车轮１的越障能力增加。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｔｒａｆｆｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｃａｂ Ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ ｆｏｒ Ｌｕｎａｒ Ｒｏｖｅｒ
ＣＨＥＮ Ｂａｉｃｈａ０１ ＷＡＮＧ Ｒｏｎｇｂｅｎｌ ＪＩＡ Ｙａｎ９２ ＪＩＮ Ｌｉｓｈｅｎ９１ ＧＵＯ Ｌｉｅｌ （１．Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００２５；
２．Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｒｒａｉｎ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｏｎ ｓｌＩｒｆａｃｅ ａｒｅ ｈａｒｄ ｆｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ ｍｏｖｅ．ＳＯ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｌ＂ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ ａｒｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｆｏｒ
万方数据
机械工程学报
第４４卷第１２期
后不得不由宇航员帮助移动。Ｌｕｎｏｋｈｏｄ ＩＩ也曾经在 环形坑斜坡上出现打滑下陷【２ｌ，最后不得不放弃原 定的行驶路线。因此，传统的悬架和车轮可能不能 够很好的满足月球车完成月表巡视探测对其移动系 统的要求。
月球车的越障能力和保持载荷平台平稳能力 主要取决于悬架机构。月球车的附着牵引能力、行 驶平顺性和能量消耗主要是由车轮决定的。为了提 高月球车悬架的性能，国外已经研制了多种类型的 悬架机构。例如，ＮＡＳＡ将摇臂式悬架１３】应用于 ｓｏｊｏｕｍｅｒ、ＭＥＲ、ＦＩＤＯ和ＳＲＲ等行星／试验样车上， ＥＳＡ和俄罗斯Ｒｏｖｅｒ科技有限公司联合研制出ＲＣＬ Ｃｏｎｃｅｐｔ系列样车悬架，ＡＳＬ研制出了ＣＲＡＢ、 ＤｏｕｂｌｅＳｐｆｉｎｇ系列样车悬架【４】，瑞士联邦技术学院 研制了Ｓｈｒｉｍｐ样机悬架［５】，日本宇航中心、梅基大 学、绰大学联合研制的ＰＥＧＡＳＵＳ悬架等【６Ｊ。这些 悬架机构在一定程度上提高了月球车移动系统的能 力，但每种机构都存在其不足和缺点，对提高悬架 性能的设汁还存在一定空间。国外对行星探测车车 轮的设计也是多种多样的，如前苏联为Ｌｕｎｏｋｈｏｄ 设计的弹性筛网轮，ＮＡＳＡ为ＬＲＶ设计的弹性胎 轮，为火星车设计的刚性槽状和针状履刺轮，以及 瑞士、德国等开发的柔性车轮等［７１。由于月表土壤 的多样性，不同特性的土壤对车轮的要求也不同， 因此，传统车轮往往存在通过性、平顺性、能耗之 间的矛盾。为了权衡矛盾，在设计车轮时，不得不 降低其单项性能。
第４４卷第１２期 ２００８年１２月
机械工程学报
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
ｖ０１．４４ Ｎｏ．１２
Ｄｅｃ．
２０ ０８
ＤｏＩ：ｌＯ．３９０１／ＪＭＥ．２００８．１２．１４３
同Ｃｊ ．．＿＿ＪＬ＿＿。 通过性与平稳性月球车移动系统设计木
陈百超１王荣本１ 贾 阳２金立生１ 郭 烈１
为了进一步提高悬架的性能，本文提出了一种 创新型的月球车悬架机构——正反四边形悬架。同 时，针对传统车轮存在的问题，开发出一种能够根 据土壤特性自动调节车轮状态的可变车轮——伸缩 叶片复式步行轮。
１正反四边形悬架设计
由于摇臂式悬架经历过火星环境的考验，具有 很强的实用性。因此在设计新型悬架时，有必要将 其作为参考。 １．１正四边形机构设计