月球车

3.世界较著名月球车介绍-Nomad（流浪者 ）
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（1.8m×1.8m×2.4m），而在运 行时具有较大的覆盖面积 （2.4m×2.4m×2.4m）。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。
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。
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。 传感装臵：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。
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wenku.baidu.com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。
三、月球车机电系统关键技术
2.月球车设计开发应注意的特点
（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 4 35cm 60 ，自重仅11.15kg。
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。
三、月球车机电系统关键技术
（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
（5）月球车能源系统
月球车的所有设备如计算机系统、驱动电机、激光探测器、
月球车设计与建模
姚 建 涛
2010 年 12 月
并联机器人与机电系统实验室-2010
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
一、引言
一、引言
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
三、月球车机电系统关键技术
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
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，月球车的取样装臵也需用硼纤维 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。
月球表面地形恶劣，月球探测车在这种位臵的环境中 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、
3.世界较著名月球车介绍-Micro5
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℃。
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。
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。
三、月球车机电系统关键技术
（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。
哈尔工业大学。
1. 移动系统的主要型式
轮式
足式
轮足混合式 履带式
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
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。
3.世界较著名月球车介绍-FIDO
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100cm×80cm×50cm。 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。
三、月球车机电系统关键技术
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
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。
阿 波 罗 15 号 飞 船 的 月 球 车
二、国内外月球车结构的发展概况