CN101789195A - 行星探测车低重力实验的悬挂装置和吊架悬挂方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种行星探测车低重力实验的悬挂装置和吊架悬挂方法，该行星探测车包含一个悬架机构，其特征在于，该悬挂装置包含有：一套悬挂机构，其设于行星探测车的上方，并与行星探测车的悬架机构的构型和尺寸相同；多对吊点，分别设于行星探测车与所述的悬挂机构上的上下对应位置；多根等长吊索，连接所述的每一对上下位置对应的吊点；一个恒力索吊点，设于悬挂机构上方，该恒力索吊点与行星探测车的质心处于同一竖直直线上，且该恒力索吊点与悬挂机构的空间位置关系全等于行星探测车的质心与悬架机构的空间位置关系；一根恒力拉索，连接所述的恒力索吊点。

Description

行星探测车低重力实验的悬挂装置和吊架悬挂方法

技术领域

本发明涉及一种行星探测车低重力实验的悬挂装置和吊架悬挂方法。

背景技术

行星探测车的低重力实验是在地球重力加速度条件下，模拟探测车在低重力行星受力的实验。实验的基本原理是以竖直向上的吊索拉力抵消探测车的自重差值。实验的主要目的是检验探测车在低重力环境下的行进能力和越障能力。根据实验目的，低重力实验系统应在探测车于崎岖实验场地运行时，时时向探测车施加通过车辆质心、方向竖直向上、大小为探测车自重差值的拉力。实现上述功能，系统至少包含四部分：拉力系统、随动系统、吊索和探测车上的吊点。拉力系统提供抵消探测车自重差值的拉力，比如恒力矩马达配合滚筒缠绕吊索，吊索通过吊点将拉力作用于探测车；根据系统设计的不同，拉力系统可能包含多个协同工作的力矩马达，也可能只包含单个力矩马达。随动系统搭载拉力系统，跟随实验探测车在水平面内的移动，使得拉力可以保持竖直向上。低重力实验系统设计的主要评价指标是其复现低重力环境下轮地接触情况的精度，其它评价指标包括安置吊索吊点的可行性、系统造价、控制难度等。

美国LSSM型载人月球车低重力实验系统中，车辆上安置多个吊点，拉力子系统包含同等数量拉力马达。车辆处于不同姿态时，各个马达需要缠绕的吊索长度、输出的力矩各不相同，必须协调控制。这种设计增加了控制难度、提高了系统造价和设计周期。我国现有六轮摇杆式行星探测车的车厢不能安置吊点，所以必须在摇杆悬架上安置多个吊点。各吊点位置随悬架姿态时时变化，若采用多力矩马达协调各吊点的运动和拉力，必遇到上述控制难度大、造价高和开发周期长的问题，应通过机构的合理设计解决上述问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种行星探测车低重力实验的悬挂装置和吊架悬挂方法，在保证轮地受力模拟精度的前提下，同时克服以往设计拉力马达数量多、控制难、造价高的问题。

本发明的次要目的是解决吊点安置问题。

为达上述目的，本发明提供一种行星探测车低重力实验的悬挂装置，该行星探测车包含一个悬架机构，其中，该装置包含有：

一套悬挂机构，其设于行星探测车的上方，并与行星探测车的悬架机构的构型和尺寸相同；

多对吊点，分别设于行星探测车与所述的悬挂机构上的上下对应位置；

多根等长吊索，连接所述的每一对上下位置对应的吊点；

一个恒力索吊点，设于悬挂机构上方，该恒力索吊点与行星探测车的质心处于同一竖直直线上，且该恒力索吊点与悬挂机构的空间位置关系全等于行星探测车的质心与悬架机构的空间位置关系；

一根恒力拉索，连接所述的恒力索吊点。

所述的悬挂装置，其中，悬架机构上的吊点安置于行星探测车的车轮轮轴上。

所述的悬挂装置，其中，该悬挂机构的上方与一调整板的下端固定连接，该调整板的上端与恒力拉索连接，该调整板用于调整所述的恒力索吊点的位置。

本发明还提供一种行星探测车低重力实验的吊架悬挂方法，该行星探测车包含一个悬架机构，其中，步骤包括：

(1)在行星探测车的上方设有一套与行星探测车的悬架机构的构型和尺寸相同的悬挂机构；

(2)在行星探测车与所述的悬挂机构上设有多对上下位置对应的吊点；

(3)采用多根等长吊索分别连接所述的每一对上下位置对应的吊点；

(4)悬挂机构上方设有一个恒力索吊点，调整悬挂机构上方的恒力索吊点的位置，使该恒力索吊点与行星探测车的质心处于同一竖直直线上，且该恒力索吊点与悬挂机构的空间位置关系全等于行星探测车的质心与悬架机构的空间位置关系；

(5)采用一根恒力拉索连接所述的恒力索吊点，该恒力拉索提供拉力F，拉力F的方向保持竖直向上。

所述的吊架悬挂方法，其中，悬架机构上的吊点安置于行星探测车的车轮轮轴上。

所述的吊架悬挂方法，其中，该悬挂机构的上方与一调整板的下端固定连接，该调整板的上端与恒力拉索连接，该调整板用于调整所述的恒力索吊点的位置。

所述的行星探测车低重力实验的吊架悬挂方法，其中，拉力F的数值应满足F＝G1-G1′+G2，

其中，G1-行星探测车的地球自重，

G1′-行星探测车的星球自重，

G2-悬挂机构的地球自重。

本发明的有益效果是：一、保证了低重力轮地受力的模拟精度。由于相似悬挂机构与真车具有相同姿态和运动关系，恒定拉力可通过相似悬挂机构正确地分为六个分力作用于六个探测车吊点，保证了低重力轮地受力的模拟精度。二、降低了控制难度、系统造价和研制周期。相似悬挂机构只需要一个拉力马达且拉力恒定，对比使用多个拉力马达并按照探测车姿态进行协调控制，此发明降低了控制难度、拉力马达和控制电路的投入、缩短了研发周期。三、解决了现有探测车车厢无法安置吊点的问题。相似悬挂机构将吊点安置于探测车摇杆或轮轴上，在保证模拟精度的同时解决了吊点安置的问题。

附图说明

图1A是本发明第一实施例六轮摇杆式行星探测车低重力实验的悬挂装置的主视图；

图1B是本发明第一实施例六轮摇杆式行星探测车低重力实验的悬挂装置的俯视图；

图1C是本发明第一实施例解除悬挂机构后，行星探测车的俯视图；

图2是本发明第二实施例四轮摇杆式行星探测车低重力实验的悬挂装置的主视图；

图3是本发明第三实施例八轮摇杆式行星探测车低重力实验的悬挂装置的主视图；

图4A是本发明第四实施例六轮平行悬架低重力实验探测车低重力实验的悬挂装置的立体图；

图4B是图4A中平行悬架的主视图；

图5是本发明第五实施例四轮固定悬架低重力实验探测车低重力实验的悬挂装置的主视图。

附图标记说明：1-行星探测车；2-悬挂机构；3-恒力拉索；4-球副；5-调整板；6、7、8、9-吊索；11-差速器；12-悬架主摇杆；13-悬架副摇杆；131-第二悬架副摇杆；14-车轮；141-轮轴；21-吊架差速器；22-吊架主摇杆；23-吊架副摇杆；231-第二吊架副摇杆；40-悬架机构；401、402、403、404-连杆；4011、4021、4111、4121-中心铰点。

具体实施方式

有关本发明为达到上述的使用目的与功效及所采用的技术手段，现举出较佳可行的实施例，并配合图式所示，详述如下：

如图1A、图1B及图1C所示，其分别为本发明第一实施例，六轮摇杆式行星探测车低重力实验系统的悬挂装置的主视图及俯视图，其中，行星探测车1的悬架机构安装有差速器11，在行星探测车的两侧各有一个悬架主摇杆12通过该差速器11连接，该两个悬架主摇杆12的相同一端分别与一个悬架副摇杆13相铰接，该悬架主摇杆12的另一端和该悬架副摇杆13的两端的轮轴处分别铰接车轮14。

其中，该悬架主摇杆12和悬架副摇杆13可如图1A～图1C所示为弧形摇杆，也可为更便于加工的直线型摇杆等。

在该行星探测车1的上方设有悬挂机构2，该悬挂机构2包含吊架差速器21、两个吊架主摇杆22和两个吊架副摇杆23，其中该吊架主摇杆22和吊架副摇杆23分别与悬架主摇杆12和悬架副摇杆13的构型和尺寸相同。两个吊架主摇杆22通过吊架差速器21连接，且吊架主摇杆22的相同一端与吊架副摇杆23相铰接。该吊架差速器21可以采用各种形式，比如，吊架差速器可以采用常见的锥齿轮差速器等，该吊架差速器21的性能、差动轴长度均与行星探测车的差速器11的性能、差动轴长度相同。

该悬挂机构2的吊架差速器21的外壳上方与一调整板5的下端固定连接，该调整板5的上端与恒力拉索3之间通过球副4固定连接(该球副4可视为恒力索吊点)。该恒力拉索3由一个拉力马达驱动，该恒力拉索3所提供的拉力F恒定为行星探测车的地球自重G1与行星探测车1的星球自重G1′的差值再加上悬挂机构的地球自重G2，即有F＝G1-G1′+G2，且拉力F的方向保持竖直。

为保证低重力轮地受力的模拟精度，调整板5被设计为一个有尺寸要求的固定件，通过调整该调整板5使得悬挂机构2的吊架差速器21的差动轴中心N′和球副4的中心G′的相对位置关系全等于差速器11的差动轴中心N和行星探测车的质心G相对位置关系(见图1B-图1C)。在工作过程中，两差速器的差动轴中心N和N′处于同一竖直直线上，而行星探测车1的质心G与球副4的中心G′位于同一竖直直线上。球副4中心G′的位置根据悬挂机构2的质量属性在上述理论布局基础上作少量调整。

此外，在行星探测车的两侧各有三根等长的吊索6、7、8，六组吊点分别安置于悬架机构的主、副摇杆12、13上和悬挂机构2的主、副摇杆22、23上的对应位置(如摇杆上)，使得在工作过程中各吊索保持竖直状态。特别的是，在保证上述吊点位置的对应关系时，悬架机构1的主、副摇杆12、13上的吊点可安置于车轮14的轮轴上。在保证模拟精度的同时解决了吊点安置的问题。

如图2所示，其为本发明第二实施例中的四轮悬架低重力实验行星探测车的主视图，其中，行星探测车1的悬架机构安装有差速器11，在行星探测车的两侧各有一个悬架主摇杆12通过差速器11连接，该悬架主摇杆12两端的轮轴处分别铰接车轮14。

其中，该悬架主摇杆12可如图2中所示为弧形摇杆，也可为更便于加工的直线型摇杆等。

在该行星探测车1的上方设有悬挂机构2，该悬挂机构2包含一个吊架差速器21和两个吊架主摇杆22，其中该吊架主摇杆22与悬架主摇杆12的构型和尺寸相同。两个吊架主摇杆22通过吊架差速器21连接，该吊架差速器21的性能、差动轴长度均与行星探测车的差速器11的性能、差动轴长度相同。

该悬挂机构2的吊架差速器21的外壳上方与一调整板5的下端固定连接，该调整板5的上端与恒力拉索3之间通过球副4固定连接(该球副4可视为恒力索吊点)。该恒力拉索3由一个拉力马达驱动，该恒力拉索3所提供的拉力F恒定为行星探测车的地球自重G1与行星探测车1的星球自重G1′的差值再加上悬挂机构的地球自重G2，即有F＝G1-G1′+G2，且拉力F的方向保持竖直。

为保证低重力轮地受力的模拟精度，调整板5被设计为一个有尺寸要求的固定件，通过调整该调整板5使得悬挂机构2的吊架差速器21的差动轴中心N′和球副4的中心G′的相对位置关系全等于差速器11的差动轴中心N和行星探测车的质心G相对位置关系(同样可见图1B-图1C)。在工作过程中，两差速器的差动轴中心N和N′处于同一竖直直线上，而行星探测车1的质心G与球副4的中心G′位于同一竖直直线上。球副4中心G′的位置根据悬挂机构2的质量属性在上述理论布局基础上作少量调整。

此外，在行星探测车的两侧各有二根等长的吊索6、7，四组吊点安置于悬架机构的悬架主摇杆12和悬挂机构2的吊架主摇杆22上的对应位置(如摇杆上)，使得在工作过程中各吊索保持竖直状态。特别的是，在保证上述吊点位置的对应关系时，悬架机构1的主摇杆12上的吊点可安置于车轮14的轮轴上，在保证模拟精度的同时解决了吊点安置的问题。

如图3所示，其是本发明第三实施例八轮摇杆式行星探测车低重力实验的悬挂装置的主视图。其中，行星探测车1的悬架机构安装有差速器11，在行星探测车的两侧各有一个悬架主摇杆12通过差速器11连接，该两个悬架主摇杆12的两端分别与一个悬架副摇杆13相铰接，位于行星探测车同一例的两个悬架副摇杆13的相对一端再与一个第二悬架副摇杆131相铰接，该悬架副摇杆13的另一端和该第二悬架副摇杆131的两端的轮轴处分别铰接车轮14。

其中，该悬架主摇杆12、悬架副摇杆13和第二悬架副摇杆131可如图3所示为弧形摇杆，也可为更便于加工的直线型摇杆等。

在该行星探测车1的上方设有悬挂机构2，该悬挂机构2包含一个吊架差速器21、两个吊架主摇杆22、四个吊架副摇杆23和两个第二吊架副摇杆231，其中该吊架主摇杆22、吊架副摇杆23和第二吊架副摇杆231分别与悬架主摇杆12、悬架副摇杆13和第二悬架副摇杆131的构型和尺寸相同。两个吊架主摇杆22通过一个吊架差速器21相连接，且两个吊架主摇杆22的两端分别与一个吊架副摇杆23相铰接，位于行星探测车同一侧的两个吊架副摇杆13的相对一端再与一个第二吊架副摇杆231相铰接。该吊架差速器21的性能、差动轴长度均与行星探测车的差速器11的性能、差动轴长度相同。

该悬挂机构2的吊架差速器21的外壳上方与一调整板5的下端固定连接，该调整板5的上端与恒力拉索3之间通过球副4固定连接(该球副4可视为恒力索吊点)。该恒力拉索3由一个拉力马达驱动，该恒力拉索3所提供的拉力F恒定为行星探测车的地球自重G1与行星探测车1的星球自重G1′的差值再加上悬挂机构的地球自重G2，即有F＝G1-G1′+G2，且拉力F的方向保持竖直。

为保证低重力轮地受力的模拟精度，调整板5被设计为一个有尺寸要求的固定件，通过调整该调整板5使得悬挂机构2的吊架差速器21的差动轴中心N′和球副4的中心G′的相对位置关系全等于差速器11的差动轴中心N和行星探测车的质心G相对位置关系(同样可见图1B-图1C)。在工作过程中，两差速器的差动轴中心N和N′处于同一竖直直线上，而行星探测车1的质心G与球副4的中心G′位于同一竖直直线上。球副4中心G′的位置根据吊架质量属性在上述理论位置基础上少量调整。

此外，在行星探测车的两侧各有四根等长的吊索6、7、8、9，八组吊点安置于悬架机构的悬架副摇杆13、第二悬架副摇杆131上和悬挂机构2的吊架副摇杆23以及第二吊架副摇杆231上的对应位置(如摇杆上)，使得在工作过程中各吊索保持竖直状态。特别的是，在保证上述吊点位置的对应关系时，悬架机构1的副摇杆13、第二副摇杆131上的吊点可安置于车轮14的轮轴上。，在保证模拟精度的同时解决了吊点安置的问题。

如图4A和图4B所示，其分别为本发明第四实施例中的六轮平行悬架低重力实验行星探测车的立体图和其中平行悬架的主视图。六轮平行悬架行星探测车含有三组平行悬架机构。每组平行悬架机构40由连杆401、连杆402、连杆403和连杆404构成，其中连杆401和连杆402的两端分别铰接于连杆403和连杆404上的两点，使连杆401、402、403和404构成一个平行四边形；通过将连杆401和连杆402的中心铰点4011、4021铰接至行星探测车1，即维持该两个中心铰点4011、4021与行星探测车1相对固定，而使该平行悬架架构40连接到行星探测车1上。此外在连杆403和连杆404的相同一端的延长杆上各铰接安装一个车轮。该行星探测车1被三组平行悬架机构40采用三点支撑。

在该车体的上方设有悬挂机构2，该悬挂机构2同样包含三组平行吊架机构41，该平行吊架机构41与平行悬架机构40的构型和尺寸相同，因此该平行吊架机构41同样具有中心铰点4111、4121，并且三组该中心铰点4111、4121与吊架的相对位置全等于三组平行悬架机构40的中心铰点4011、4021与行星探测车1的相对位置。

调整板5直接与该悬挂机构2的吊架固定连接，该调整板5的上端与恒力拉索3之间通过球副4固定连接(该球副4可视为恒力索吊点)。该恒力拉索3由一个拉力马达驱动，该恒力拉索3所提供的拉力F恒定为行星探测车的地球自重G1与行星探测车1的星球自重G1′的差值再加上悬挂机构的地球自重G2，即有F＝G1-G1′+G2，且拉力F的方向保持竖直。

为保证低重力轮地受力的模拟精度，调整板5被设计为一个有尺寸要求的固定件，通过调整该调整板5使得悬挂机构2的球副4的中心G′与星探测车的质心G位于同一竖直直线上，而且连接车体的三组平行悬架机构40的中心铰点4011、4012与三组平行吊架机构41的中心铰点4111、4121的位置相对应。球副4中心G′的位置根据悬挂机构2的质量属性在上述理论布局基础上作少量调整。

此外，在行星探测车的周围具有六根等长的吊索6、7、8、9(图中仅示出四根)，六组吊点分别安置于每组平行吊架机构41和每组平行悬架机构40的对应位置上，使得在工作过程中各组吊点位于同一竖直直线上。特别的是，在保证上述吊点位置的对应关系时，平行悬架机构40上的吊点可安置于车轮14的轮轴上，在保证模拟精度的同时解决了吊点安置的问题。

如图5所示，其为本发明第五实施例四轮固定悬架低重力实验探测车低重力实验的悬挂装置的主视图。其中，行星探测车下方固定有四根轮轴141，每根轮轴141各铰接一个车轮14。

在该行星探测车1的上方设有悬挂机构2，该悬挂机构2包含一块板体25，该板体的尺寸应覆盖四根轮轴141的对应位置，且板体25的下方各固定有四根连杆241，该连杆241与轮轴141构型和尺寸相同。

该悬挂机构2的板体25的上方与一调整板5的下端固定连接，该调整板5的上端与恒力拉索3之间通过球副4固定连接(该球副4可视为恒力索吊点)。该恒力拉索3由一个拉力马达驱动，该恒力拉索3所提供的拉力F恒定为行星探测车的地球自重G1与行星探测车1的星球自重G1′的差值再加上悬挂机构的地球自重G2，即有F＝G1-G1′+G2，且拉力F的方向保持竖直。

为保证低重力轮地受力的模拟精度，调整板5被设计为一个有尺寸要求的固定件，通过调整该调整板5使得悬挂机构2的球副4的中心G′与行星探测车的质心G位于同一竖直直线上。

此外，在行星探测车的周围具有四根等长的吊索6、7(图中仅示出二根)，四组吊点分别安置于悬架机构行星探测车1的轮轴141和悬挂机构2的连杆241的对应位置上，使得在工作过程中各吊索保持竖直状态，在保证模拟精度的同时解决了吊点安置的问题。

由上述实施例即可总结出一种适用于行星探测车低重力实验的吊架悬挂方法，此种方法适用于不包含弹性元件(如扭杆弹簧、拉压弹簧)的应用于低重力实验的行星探测车，其步骤包括：

(1)在行星探测车的上方设有一套与行星探测车的悬架机构的构型和尺寸相同的悬挂机构；

(2)在行星探测车与所述的悬挂机构上设有多对上下位置对应的吊点；

(3)采用多根等长吊索分别连接所述的每一对上下位置对应的吊点；

(4)悬挂机构上方设有一个恒力索吊点，调整悬挂机构上方的恒力索吊点的位置，使该恒力索吊点与行星探测车的质心处于同一竖直直线上，且该恒力索吊点与悬挂机构的空间位置关系全等于行星探测车的质心与悬架机构的空间位置关系；

(5)采用一根恒力拉索连接所述的恒力索吊点，该恒力拉索提供拉力F，拉力F的方向保持竖直向上。

其中，悬架机构上的吊点可安置于车轮的轮轴上。

唯上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故举凡数值的变更或等效组件的置换，或依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，都应仍属本发明专利涵盖的范畴。

Claims (7)

1.一种行星探测车低重力实验的悬挂装置，该行星探测车包含一个悬架机构，其特征在于，该装置包含有：

一套悬挂机构，其设于行星探测车的上方，并与行星探测车的悬架机构的构型和尺寸相同；

多对吊点，分别设于行星探测车与所述的悬挂机构上的上下对应位置；

多根等长吊索，连接所述的每一对上下位置对应的吊点；

一个恒力索吊点，设于悬挂机构上方，该恒力索吊点与行星探测车的质心处于同一竖直直线上，且该恒力索吊点与悬挂机构的空间位置关系全等于行星探测车的质心与悬架机构的空间位置关系；

一根恒力拉索，连接所述的恒力索吊点。

2.根据权利要求1所述的行星探测车低重力实验的悬挂装置，其特征在于，悬架机构上的吊点安置于行星探测车的车轮轮轴上。

3.根据权利要求1所述的行星探测车低重力实验的悬挂装置，其特征在于，该悬挂机构的上方与一调整板的下端固定连接，该调整板的上端与恒力拉索连接，该调整板用于调整所述的恒力索吊点的位置。

4.一种行星探测车低重力实验的吊架悬挂方法，该行星探测车包含一个悬架机构，其特征在于，步骤包括：

(1)在行星探测车的上方设有一套与行星探测车的悬架机构的构型和尺寸相同的悬挂机构；

(2)在行星探测车与所述的悬挂机构上设有多对上下位置对应的吊点；

(3)采用多根等长吊索分别连接所述的每一对上下位置对应的吊点；

(4)悬挂机构上方设有一个恒力索吊点，调整悬挂机构上方的恒力索吊点的位置，使该恒力索吊点与行星探测车的质心处于同一竖直直线上，且该恒力索吊点与悬挂机构的空间位置关系全等于行星探测车的质心与悬架机构的空间位置关系；

(5)采用一根恒力拉索连接所述的恒力索吊点，该恒力拉索提供拉力F，拉力F的方向保持竖直向上。

5.根据权利要求4所述的行星探测车低重力实验的吊架悬挂方法，其特征在于，悬架机构上的吊点安置于行星探测车的车轮轮轴上。

6.根据权利要求4所述的行星探测车低重力实验的吊架悬挂方法，其特征在于，该悬挂机构的上方与一调整板的下端固定连接，该调整板的上端与恒力拉索连接，该调整板用于调整所述的恒力索吊点的位置。

7.根据权利要求4所述的行星探测车低重力实验的吊架悬挂方法，其特征在于，拉力F的数值应满足F＝G1-G1′+G2，

其中，G1-行星探测车的地球自重，

G1′-行星探测车的星球自重，

G2-悬挂机构的地球自重。

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