1、摘 要火星是太阳系八大行星之一，是除了金星以外，距离地球最近的行星。对于火星的探测也充满了坎坷，大约三分之二的探测器，特别是早期发射的探测器，都没有能够成功完成它们的使命。为了完成具有重要意义的火星探测任务，在现今还无法将人类送上火星的情况下，火星环境探测车(MER)的研究将非常有必要。本文主要任务是对火星环境探测车的结构进行设计。主要涉及行走机构、车身结构以及钻探机构的结构设计。通过对此类探测车的工作时的分析，并计较了当前几种行走机构的优缺点，初步选定了行走机构的方案，并在进行了大量资料的查阅之后，设计了一种以六轮腿作为行走机构的火星环境探测车，该机构具有较好的灵活性和机动性，在避障这点上的
2、优势较为明显。在钻探机构的设计上，仿照了地基钻孔机，利用气缸使钻头可以上下提升，既不影响正常行走，又能钻下地表1m的深度。整个机体则采用了建筑学中的桁架结构，这种结构是由直细杆组成的三角形单元的平面或空间结构。荷载作用下，桁架杆件能充分利用材料的强度，这使整车在足以保证支撑刚度的前提下更加轻便，且为以后的控制和布局设计提供了足够的空间。本设计还对整个设计结果进行了三维造型设计。通过SolidWorks软件将所得数据进行三维实体建模，并通过三维模型进行了避障和机动性分析、有限元分析以及可行性分析等内容，检验了各零件设计的可靠性。关键词：火星；探测车；六轮腿；三维建模AbstractMars is
3、 one of the eight major planets of the solar system. And it is the nearest planet from Earth except Venus. The process of exploring is also full of difficulties. About two-thirds of the probes, especially the probes sent in early time, didnt complete their missions. In order to fulfill the task of e
4、xploring Mars which are great significant , the study of the Mars exploration rover (MER) are very necessary in the condition that we cannot send human to Mars today.The main task of this paper is to design the structure of the Mars exploration rover. It involves the design of the walking mechanism,
5、 drilling mechanism and the main body. After analyzing the work condition of MER and scheme comparison, six wheel-leg was decided through a large amount of data, which is good at flexibility and motility, especially in obstacle avoidance. Following the foundation drilling machine, author designed a
6、mechanism which can push the bit up and down and drill 1m deep under the surface under the condition of not affecting walking. The whole body uses the truss structure which consists of straight thin shafts. Under the Loads, the truss can take full advantage of the strength of the material. So the tr
7、uss structure makes the rover lighter in the condition of keeping the supporting strength. And it also offers more room for the following design like the control section and the layout design. With the aided design of the software, SolidWorks, 3D solid models have been designed from the final data.
8、By the 3D solid models, obstacle avoidance analysis, FEA analysis and the Feasibility have been done. Finally, with the help of the software, we tested the reliability of the parts which are designed.Key wards: Mars; Exploration Rover; Four wheel-leg; 3D model design目录1绪论11.1课题研究目的和意义11.2火星简介和火星车研究现
9、状11.2.1火星简介11.2.2火星车国外研究现状21.2.3火星车国内研究现状41.3课题研究的内容及其目标52具体设计62.1功能要求及分析62.2总体设计63行走机构的设计73.1方案比较73.2轮腿式系统介绍83.3轮腿方案设计要求93.4轮腿方案功能设计与分析103.5腿臂传动系统的布置103.6腿臂机械系统参数设计113.7腿部结构设计计算及分析123.7.1腿部参数设计计算123.7.2减速器的选型143.7.3电机的选型163.7.4轮腿腿臂机械结构设计173.8火星探测车主要零部件设计183.8.1轴的结构设计183.8.2关节轴的设计183.8.3同步带传动的设计与校核2
10、13.8.4轴上键的设计与校核233.8.5滚动轴承的选择及计算243.9车轮的设计264钻探机构的设计274.1功率估算274.2钻头结构设计294.3抬升机构设计304.4钻孔辅助结构设计315火星环境探测车避障和机动性分析336整车尺寸及性能分析366.1整车尺寸366.2稳定性分析376.3有限元分析386.3.1有限元分析简介386.3.2三维实体建模396.3.3创建FEA分析396.4可行性分析417结论42致谢43参考文献44II1 绪论1.1 课题研究目的和意义21世纪也是人类科技进步，逐步迈向太阳系甚至宇宙的时代，而火星是太阳系中地球之外唯一一个有可能进化出生命的行星,是一
11、颗在不久的将来在太阳系中人们有希望实现登陆、行走并以传统方式生活探索的唯一一颗行星。火星也是唯一可能被地球化而成为类似于地球的行星。为了完成具有重要意义的火星探测任务，在现今还无法将人类送上火星的情况下，火星环境探测车的研究将非常有必要。火星环境探测车（MER）是在火星行星表面，进行探测不可缺少的重要工具之一。通过火星车的探测，火星地面环境的资料可以精细地被获取，火星表面岩石、火星壤标本，这些珍贵资料可以为载人登火奠定基础，并为建立火星基地这样的设想提供技术保障和支持。火星车系统是具有综合和带动作用的一项技术。火星车系统综合了空间、机构、控制、通信、传感、能源、材料等多种高新技术，通过对火星环
12、境探测车的研究，可以带动其他领域科学技术的发展，如人工智能、爬坡越障驱动机构、自主导航定位及控制、遥控作业、环境建模及空间探测仪器、通信和信号的压缩、传输及恢复、高速数据处理、超高强度和耐高温材料、密封和润滑、电功率微波传输等。据已有相关资料表明，火星表面地形环境较恶劣，火星探测车在这种复杂的地形环境中执行科学探测任务，就必须具备性能优越、自适应能力强的移动系统。在火星探测车的结构中，移动系统是火星探测车整体系统的关键，其性能好坏和工作的稳定性、可靠性将直接影响着火星探测车的使用性能和作业寿命。由于移动系统在火星探测车中的重要地位，深入研究各种类型适应火星环境的移动系统，使火星探测工作尽快开展
13、，让中国的火星车登上火星，这将具有深远的意义。1.2 火星简介和火星车研究现状1.2.1 火星简介火星是八大行星之一，按照距离太阳由近及远的次序为第四颗。肉眼看去，火星是一颗引人注目的火红色星，它缓慢地穿行于众星之间，在地球上看，它时而顺行时而逆行，而且亮度也常有变化，最暗时视星等为+1.5，最亮时比天狼星还亮得多，达到-2.9。由于火星荧荧如火，亮度经常变化，位置也不固定，所以中国古代称火星为“荧惑”。而在古罗马神话中，则把火星比喻为身披盔甲浑身是血的战神“玛尔斯”。在希腊神话中，火星同样被看做是战神“阿瑞斯”。有时火星也被称为“红色行星”。此次设计的探测车不在地球，而用在火星上，故而火星上
14、的环境的有关参数将是设计时要十分注意的地方。火星环境的相关参数如下表表 11 火星环境参数质量6.421e+23kg赤道半径3,397.2km平均密度3.94 gm/cm3平均日距227,940,000km自转周期4.6229小时公转周期686.98天赤道地表重力3.72 m/sec2赤道逃逸速度5.02 km/sec最低地表温度-140平均地表温度-63最高地表温度20大气压力0.007bars1.2.2 火星车国外研究现状美国麻省理工学院Herv Hacot，Steven Dubowsky等人最早对六轮摇杆-转向架移动式火星探测车（如图1.1所示）的空间力学模型进行了详细的推导，在合理的假
15、设条件下，根据静力学平衡方程得到了该移动火星探测车的准静态模型。在火星探测车车轮不打滑、满足轮地接触和驱动力的约束条件下对车火星车车体在空间平面地形受力进行了分析，如图1.2所示。另外在试验台实验条件下和仿真界面仿真条件下对轮腿所受法向力随力矩变化的曲线图进行了对比分析。准静态模型虽然足一种近似处理，但在目前，火星探测车移动速度很低的情况下，是能够满足深空探测的现实需要的。图 11 摇杆-转向架机构图 12 三维和二维结构图美国麻省理工学院的Iagnemma K、Rzepniewski A等人用火星车与地面接触点构成的多边形来定义倾翻轴的方法来评估移动火星探测车的静态倾翻稳定性。另外Dubowsky S 、Kang S 等人提出了一种基于卡尔曼滤波的地形坡度角估计方法，首先通过理论推导轮-地接触角，由于方程的复杂性，对方程进行简化求解，然后通过实验在线检测验证简化模型的实用性；并根据接入点和离去点的位置来估计车轮下陷量。在此基础上对，通过调节车体关节转角对“SRR”进行越障能力实验研究，如图1.3所示。图 13 SRR越障过程此外，美国加
