CN113602529B - 一种主动悬架式星球车移动系统构型优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种主动悬架式星球车移动系统构型优化设计方法，根据主动悬架式移动系统具体结构及其总体功能，具体阐述主动可变悬架式移动系统构型优化设计的方法，设计设定主摇臂前段长度、主摇臂后段长度、副摇臂长度以及其与其他部件的夹角大小，并分析主摇臂、副摇臂各尺寸之间的函数关系：建立几何模形，通过优化设计参数，在火星车悬架调整过程中，使得主摇臂间夹角和主摇臂后半段与水平线间夹角的非线性关系近似线性化，实现差动机构在调节车厢高度时保持车厢水平。
Description
技术领域
本发明涉及一种移动机器人技术领域，特别涉及一种主动悬架式星球车移动系统构型优化设计方法。
背景技术
地外星球表面可能存在沙尘和风暴等恶劣天气，导致其表面地形转换速度较快，更为严重的是部分沙地表面有一层硬的砂石壳，内部却是软沙土，星球车巡视探测过程中，极易造成车轮无征兆的深度沉陷，例如美国的机遇号和勇气号火星车均由于发生沉陷无法脱离而导致任务失败，而沉陷后的脱困一直是困扰火星车的技术难点。
传统的星球车均采用被动悬架式移动系统，不具备构型调整和蠕动脱陷能力，中国祝融号火星车采用全新的主动悬架式移动系统，通过悬架的主动变形，可实现车体高度调整、蠕动行走等扩展功能，有效提升火星车沉陷脱困能力和障碍通过性能。
相关专利号CN105235468A公开的《主动悬架式火星车移动机构》和专利号CN201911135824.9公开的《一种星球车可变主动悬架机构》中对主动悬架式移动系统具体组成及总体功能进行了较详细介绍，但针对悬架系统构型设计方法及其具有的设计参数并未说明，而且相关领域的技术文献中也并未见到相关内容，导致相关技术人员均处于知其然而不知其所以然的状态。
因此如何提供主动悬架式星球车移动系统构型优化方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种非线性、强耦合主动悬架式星球车移动系统总体构型参数优化设计方法，解决现有星球车平行升降、抬轮及蠕动步行与构型参数、机构减速比强相关的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种主动悬架式星球车移动系统构型优化设计方法，悬架的主摇臂和副摇臂，车厢连接悬架，星球车移动系统包括两套安装在悬架上且对称布置车厢两侧的移动系统单元，移动系统单元包括一套夹角调整机构、三套车轮驱动机构、三套车轮转向机构及一套离合器机构，主摇臂包括主摇臂前段和主摇臂后段，夹角调整机构为单输入双输出的差动机构，差动机构的两个输出端分别对应传动连接主摇臂前段和主摇臂后段，主摇臂前段通过车轮转向机构与对应车轮的车轮驱动机构传动连接，副摇臂两端分别通过对应的车轮转向机构与对应车轮的车轮驱动机构传动连接；主摇臂后段通过离合器机构与副摇臂中部铰接；
主摇臂前段与主摇臂后段段之间的夹角为主摇臂张角，主摇臂前段相对于差动机构的角度变化量ω11，主摇臂后段相对差动机构的输出轴的角度变化量ω12，两者之差为主摇臂张角的变化量Δα：Δα＝ω12-ω11式(1)，
在车厢两侧主摇臂张角同步变化时，ω11就是主摇臂前段相对车体的角度变化量Δθ：Δθ＝ω11式(2)，
用ω12-ω11与ω11的比值来形容差动机构的变速比：式(3)，
采用上式对主摇臂张角和车厢俯仰姿态进行校正，设计主摇臂前段和主摇臂后段的杆长使得Δθ与Δα线性相关，且线性相关系数恰好为k，实现差动机构在调节车厢高度时保持车厢水平。
本发明的有益效果是：提供一种悬架构型优化方法，可支持实现主动悬架式星球车移动系统构型，通过设计主摇臂前段和主摇臂后段的杆长度使得Δθ与Δα线性相关，且线性相关系数恰好为k，进而可以实现星球车车厢水平升降、蠕动步进、抬轮等功能，从而提高星球车移动系统的通过性能、脱陷能力，并延长星球车的使用寿命。
进一步，差动机构可以为行星轮系，行星轮系中太阳轮固联主摇臂前段，齿圈固联主摇臂后段，行星架固联差速轴。
进一步，使得Δθ与Δα线性相关，包括：
(1)、设定主摇臂前段长度l1，主摇臂后段长度l2；副摇臂长度l3；主摇臂间夹角α，主摇臂后半段与水平线间夹角θ；副摇臂间前后半段间夹角β；系统质心与中心线偏移距离e；前轮与中轮的轮间距l4，中轮与后轮的轮间距l5；
(2)、通过分析主摇臂、副摇臂各尺寸之间的函数关系：建立几何模形，在0<α<π，调整过程中，主摇臂、副摇臂和车厢之间始终满足公式(4)至公式(9)所示的几何关系：
联立上式，θ可以表示为α的函数，通过优化设计参数，使得α和θ的非线性关系近似线性化，满足行星轮系使车厢水平升降的条件
采用上述进一步的有益效果是：星球车悬架调整过程中，主摇臂、副摇臂和车厢之间始终满足公式(4)-公式(8)的几何参数，通过优化各部件长度及其之间的夹角大小，使得使得α和θ的非线性关系近似线性化，可支持实现星球车水平升降车厢。
进一步，参数优化约束内容如下：
(1)差动器负载最小约束，平地上车体质心垂线应尽量靠近车体差动器轴线，差动器负载应尽可能小，设计时考虑在车厢前端/后端施加一定竖直力，差动器刚度应保证车体不发生大的俯仰。
(2)车体内部布置约束，由于差动器和枢轴组件贯穿整个车体，主动悬架引入夹角调整机构，设计时应保证移动机构中间连接轴系接近车体下表面，且为崎岖地形下摆转的枢轴和夹角调整机构组件预留空间。因此，差动器安装在车体下底板上，且轴线距离底板高度与中间轴系外轮廓相差不应太大。
(3)车轮法向载荷均布约束，移动机构置于平地上时应尽量保证各轮法向载荷均布，且考虑到车体质心距离差动轴较近。因此，差动轴应尽量布置在中轮上方，前中轮和中后轮间距在标称悬架时相等。
(4)车体姿态稳定性约束，移动机构以标称状态在崎岖地形中行驶时，应发挥主副摇臂式悬架地形平顺作用。因此，主副摇臂铰接点高度不应大于差动轴高度；考虑通过性需求，主副摇臂铰接点离地高度不低于车轮直径。
(5)坡面静态稳定性约束，主副摇臂悬架应保证足够的坡面稳定性。考虑到坡上车体抬升和蠕动行进具有足够稳定性。根据上述要求设置前后轮间距和左右车轮间距，使得车厢质心时刻处于轮-地接触点围成的闭合区域内。
(6)质心调整范围最大约束，坡度行驶或脱困时可能需要对车轮法向载荷进行调整，以提高移动机构的通过性能。前后轮抬升的实施能力与车体质心调整密切相关。因此，悬架参数设置时应保证在车体不失稳的情况下质心在中轮前后具有较大的调整范围。此项约束也是爬坡和越障稳定域估计的重要依据。
(7)蠕动行进步长最大约束，考虑到车体稳定性限制了车体抬升高度，发射舱尺寸限制了移动机构前后轮间距，考虑地形崎岖时前中轮应保留足够间距，悬架杆长的配置直接影响蠕动行进的步长和效率。因此，应在满足车体稳定性的前提下尽量增加蠕动步长。
(8)主摇臂夹角调整机构驱动力矩最小约束，标称悬架(行走、爬坡、越障)、悬架折展、车轮抬升和蠕动行进等工况下主摇臂夹角调整机构驱动力矩应尽量小，这有助于减小夹角调整机构驱动功率、减速机构体积和质量。
(9)主副摇臂离合机构驱动力矩最小约束，车轮抬升及行走时离合器工作，合理规划悬架参数有助于减小相关工况下的离合机构驱动力矩，有效减少离合机构驱动功率、质量和体积。
进一步，主摇臂和副摇臂和差动机构设计满足下列条件：
星球车移动系统中的前轮和中轮间距与中轮和后轮间距相等，l4＝l5；
差动机构的差动轴靠近过中轮轴线并垂直于地面的平面，e∝0；
差动机构的差动轴靠近车厢底面，d∝0；
车厢底面离地高度大于车轮直径，H＞D；
主摇臂后段与离合器机构的铰接轴位于中轮和后轮连线的中分线上，l3＝l6；
铰接轴离地高度不大于差动轴离地高度，H1≤H+d且铰接轴离地高度大于车轮直径，H1＞D；
车轮直径大于零，D＞0。
进一步，仅以车厢水平升降作为优化目标，主副摇臂满足目标函数ρ为α和θ的相关系数绝对值趋近于，
ρ＝1-|r| 式(10)
附图说明
图1为本发明一种主动悬架式星球车移动系统构型结构示意图；
图2为本发明一种主动悬架式星球车移动系统中夹角调整机构结构示意图；
图3为本发明一种主动悬架式星球车移动系统构型中主摇臂前段和主摇臂后段转动夹角示意图；
图4为本发明一种主动悬架式星球车移动系统构型几何参数图；
图5为本发明一种主动悬架式星球车移动系统构型中0<α<π时构型几何参数图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、车轮驱动机构，2、车轮转向机构，3、夹角调整机构，4、离合器机构，5、主摇臂前段，6、主摇臂后段，7、副摇臂，8、车轮，9、车厢。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种主动悬架式星球车移动系统构型优化设计方法，悬架的主摇臂和副摇臂7，车厢9连接悬架，星球车移动系统包括两套安装在悬架上且对称布置车厢9两侧的移动系统单元，移动系统单元包括一套夹角调整机构3、三套车轮驱动机构1、三套车轮转向机构2及一套离合器机构4，主摇臂包括主摇臂前段5和主摇臂后段6，夹角调整机构3为单输入双输出的差动机构，差动机构的两个输出端分别对应传动连接主摇臂前段5和主摇臂后段6，主摇臂前段5通过车轮转向机构2与对应车轮8的车轮驱动机构1传动连接，副摇臂7两端分别通过对应的车轮转向机构2与对应车轮8的车轮驱动机构1传动连接；主摇臂后段6通过离合器机构4与副摇臂7中部铰接；
主摇臂前段5相对于差动机构的角度变化量ω11，主摇臂后段6相对差动机构的输出轴的角度变化量ω12，两者之差为主摇臂张角的变化量Δα：Δα＝ω12-ω11式1，
在车厢9两侧主摇臂张角同步变化时，ω11就是主摇臂前段5相对车体的角度变化量Δθ：Δθ＝ω11式(2)
用ω12-ω11与ω11的比值来形容差动机构的变速比：式3
采用上式对主摇臂张角和车厢9俯仰姿态进行校正，设计主摇臂前段5和主摇臂后段6的杆长使得Δθ与Δα线性相关，且线性相关系数恰好为k，实现差动机构在调节车厢9高度时保持车厢9水平。
在一些具体实施例中，差动机构为行星轮系，行星轮系中太阳轮固联主摇臂前段5，齿圈固联主摇臂后段6，行星架固联差速轴。
在一些具体实施例中，使得Δθ与Δα线性相关，包括：
(1)、设定主摇臂前段5长度l1，主摇臂后段6长度l2；副摇臂7长度l3；主摇臂间夹角α，主摇臂后半段6与水平线间夹角θ；副摇臂7间前后半段间夹角β；系统质心与中心线偏移距离e；前轮与中轮的轮间距l4，中轮与后轮的轮间距l5；
(2)、通过分析主摇臂、副摇臂7各尺寸之间的函数关系：建立几何模形，在0<α<π，调整过程中，主摇臂、副摇臂7和车厢9之间始终满足公式(4)至公式(8)所示的几何关系：
联立上式，θ可以表示为α的函数，通过优化设计参数，使得α和θ的非线性关系近似线性化，满足行星轮系使车厢9水平升降的条件
在一些具体实施例中，参数优化约束内容如下：
(1)差动器负载最小约束，平地上车体质心垂线应尽量靠近车体差动器轴线，差动器负载应尽可能小，设计时考虑在车厢前端/后端施加一定竖直力，差动器刚度应保证车体不发生大的俯仰。
(2)车体内部布置约束，由于差动器和枢轴组件贯穿整个车体，主动悬架引入夹角调整机构3，设计时应保证移动机构中间连接轴系接近车体下表面，且为崎岖地形下摆转的枢轴和夹角调整机构组件预留空间。因此，差动器安装在车体下底板上，且轴线距离底板高度与中间轴系外轮廓相差不应太大。
(3)车轮法向载荷均布约束，移动机构置于平地上时应尽量保证各轮法向载荷均布，且考虑到车体质心距离差动轴较近。因此，差动轴应尽量布置在中轮上方，前中轮和中后轮间距在标称悬架时相等。
(4)车体姿态稳定性约束，移动机构以标称状态在崎岖地形中行驶时，应发挥主副摇臂式悬架地形平顺作用。因此，主副摇臂铰接点高度不应大于差动轴高度；考虑通过性需求，主副摇臂铰接点离地高度不低于车轮直径。
(5)坡面静态稳定性约束，主副摇臂悬架应保证足够的坡面稳定性。考虑到坡上车体抬升和蠕动行进具有足够稳定性。根据上述要求设置前后轮间距和左右车轮间距，使得车厢9质心时刻处于轮-地接触点围成的闭合区域内。
(6)质心调整范围最大约束，坡度行驶或脱困时可能需要对车轮8法向载荷进行调整，以提高移动机构的通过性能。前后轮抬升的实施能力与车体质心调整密切相关。因此，悬架参数设置时应保证在车体不失稳的情况下质心在中轮前后具有较大的调整范围。此项约束也是爬坡和越障稳定域估计的重要依据。
(7)蠕动行进步长最大约束，考虑到车体稳定性限制了车体抬升高度，发射舱尺寸限制了移动机构前后轮间距，考虑地形崎岖时前中轮应保留足够间距，悬架杆长的配置直接影响蠕动行进的步长和效率。因此，应在满足车体稳定性的前提下尽量增加蠕动步长。
(8)主摇臂夹角调整机构驱动力矩最小约束，标称悬架(行走、爬坡、越障)、悬架折展、车轮抬升和蠕动行进等工况下主摇臂夹角调整机构驱动力矩应尽量小，这有助于减小夹角调整机构驱动功率、减速机构体积和质量。
(9)主副摇臂离合机构驱动力矩最小约束，车轮8抬升及行走时离合器工作，合理规划悬架参数有助于减小相关工况下的离合机构驱动力矩，有效减少离合机构驱动功率、质量和体积。
在一些具体实施例中，主摇臂和副摇臂7和差动机构设计满足下列条件：
星球车移动系统中的前轮和中轮间距与中轮和后轮间距相等，l4＝l5；
差动机构的差动轴靠近过中轮轴线并垂直于地面的平面，e∝0；
差动机构的差动轴靠近车厢9底面，d∝0；
车厢9底面离地高度大于车轮8直径，H＞D；
主摇臂后段6与离合器机构4的铰接轴位于中轮和后轮连线的中分线上，l3＝l6；
铰接轴离地高度不大于差动轴离地高度，H1≤H+d且铰接轴离地高度大于车轮8直径，H1＞D；
车轮8直径大于零，D＞0。
在一些具体实施例中，仅以车厢9水平升降作为优化目标，主副摇臂满足目标函数ρ为α和θ的相关系数绝对值趋近于1，
ρ＝1-|r| 式(10)
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种主动悬架式星球车移动系统构型优化设计方法，其特征在于，所述悬架的主摇臂和副摇臂(7)，车厢(9)连接所述悬架，所述星球车移动系统包括两套安装在悬架上且对称布置所述车厢(9)两侧的移动系统单元，所述移动系统单元包括一套夹角调整机构(3)、三套车轮驱动机构(1)、三套车轮转向机构(2)及一套离合器机构(4)，所述主摇臂包括主摇臂前段(5)和主摇臂后段(6)，所述夹角调整机构(3)为单输入双输出的差动机构，所述差动机构的两个输出端分别对应传动连接所述主摇臂前段(5)和所述主摇臂后段(6)，所述主摇臂前段(5)通过所述车轮转向机构(2)与对应车轮(8)的所述车轮驱动机构(1)传动连接，所述副摇臂(7)两端分别通过对应的所述车轮转向机构(2)与对应所述车轮(8)的所述车轮驱动机构(1)传动连接；所述主摇臂后段(6)通过所述离合器机构(4)与所述副摇臂(7)中部铰接；
所述主摇臂前段(5)相对于所述差动机构的角度变化量ω11，所述主摇臂后段(6)相对所述差动机构的输出轴的角度变化量ω12，两者之差为主摇臂张角的变化量Δα：Δα＝ω12-ω11 式(1)，
在车厢(9)两侧所述主摇臂张角同步变化时，ω11就是所述主摇臂前段(5)相对车体的角度变化量Δθ：Δθ＝ω11 式(2)
用ω12-ω11与ω11的比值来形容差动机构的变速比：
采用上式对所述主摇臂张角和所述车厢(9)俯仰姿态进行校正，设计所述主摇臂前段(5)和所述主摇臂后段(6)的杆长使得Δθ与Δα线性相关，且线性相关系数恰好为k，实现所述差动机构在调节所述车厢(9)高度时保持所述车厢(9)水平。
2.根据权利要求1所述一种主动悬架式星球车移动系统构型优化设计方法，其特征在于，所述差动机构为行星轮系，所述行星轮系中太阳轮固联所述主摇臂前段(5)，齿圈固联所述主摇臂后段(6)，行星架固联差速轴。
3.根据权利要求2所述一种主动悬架式星球车移动系统构型优化设计方法，其特征在于，所述使得Δθ与Δα线性相关，包括：
(1)、设定所述主摇臂前段(5)长度l1，所述主摇臂后段(6)长度l2；所述副摇臂(7)长度l3；主摇臂间夹角α，所述主摇臂后半段(6)与水平线间夹角θ；所述副摇臂(7)间前后半段间夹角β；系统质心与中心线偏移距离e；前轮与中轮的轮间距l4，所述中轮与后轮的轮间距l5；
(2)、通过分析主摇臂、所述副摇臂(7)各尺寸之间的函数关系：建立几何模形，在0<α<π，调整过程中，所述主摇臂、所述副摇臂(7)和所述车厢(9)之间始终满足公式(4)至公式(8)所示的几何关系：
联立上式，θ可以表示为α的函数，通过优化设计参数，使得α和θ的非线性关系近似线性化，满足所述行星轮系使所述车厢(9)水平升降的条件
4.根据权利要求3所述一种主动悬架式星球车移动系统构型优化设计方法，其特征在于，所述主摇臂和所述副摇臂(7)和所述差动机构设计满足下列条件：
所述星球车移动系统中的所述前轮和所述中轮间距与所述中轮和所述后轮间距相等，l4＝l5；
所述差动机构的差动轴靠近过中轮轴线并垂直于地面的平面，e∝0；
所述差动机构的差动轴靠近车厢(9)底面，d∝0；
所述车厢(9)底面离地高度大于所述车轮(8)直径，H＞D；
所述主摇臂后段(6)与所述离合器机构(4)的铰接轴位于所述中轮和所述后轮连线的中分线上，l3＝l6；
所述铰接轴离地高度不大于差动轴离地高度，H1≤H+d且所述铰接轴离地高度大于所述车轮(8)直径，H1＞D；
所述车轮(8)直径大于零，D＞0。
5.根据权利要求3所述一种主动悬架式星球车移动系统构型优化设计方法，其特征在于，仅以所述车厢(9)水平升降作为优化目标，主副摇臂满足目标函数ρ为α和θ的相关系数绝对值趋近于1，
ρ＝1-|r| 式(10)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113602529A (zh) | 2021-11-05 |
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