文章编号：!""!#$%&’（$""!）"&#""!&#"’五轮月球机器人及其特性分析!刘方湖，陈建平，马培荪，姚沁，王美龄（上海交通大学机械工程学院，上海$"""%"）摘要：提出了一种新型的月球机器人———五轮月球机器人，并研究了其越障性能、转向性能、静态稳定性和附着性能。结果表明这种机器人有很强的适应复杂三维地形的能力，能较好地满足月球上行驶的要求。关键词：空间机器人；月球机器人；移动机器人；自主车辆中图分类号：()$’$*%文献标识码：+!引言星球探测机器人的研究，始于$"世纪,"年代。自,"年代以来，国外已经研制了许多星球探测机器人。我国对星球探测机器人的研究刚刚起步。根据机器人移动机构的特点，星球探测机器人可分为轮式、腿式、轮腿式和履带式。轮式星球探测机器人，现在出现了单轮、’轮、,轮和-轮结构。此类机器人主要有美国的./01230单轮移动机器人［!］和41567机器人［$］。美国的)8029:和;<6030等人于!==!年提出了’轮驱动两体机器人全地形月球探测漫游车>+(?@>。日本;6A81B656C8D9等人研制了球形移动机器人。美国E)?（喷气推进实验室）在星球表面科学探测漫游车技术方面，代表了这个领域的最高水平。他们设计的FG@H（F9I0101230G<9JKL@MN30953OL）小型漫游车［%］，已经于!==,年成功地完成了预定的火星表面科学探测计划。>1IP/系列［’］是从FG@H小型漫游车演化而来的新型火星漫游车。它采用,轮结构和摇杆转向节悬挂系统。腿式移动机器人主要有美国的+5Q<30机器人［&］、R6376<8:机器人、R6OL3S和R6OL3SS有缆-腿行走机器人。R6OL3SS于!==’年成功地在阿留申山脉完成斯伯山火山口的采样工作。轮腿式移动机器人主要有E)?的.1#G10机器人［,］和日本的TK6091LSS机器人［U］。关节履带式移动机器人的结构现在已经比较成熟。这类机器人主要有美国的+4R>VWF60PX#+机器人［-］、比利时的+T@T机器人、美国V+V公司的V+V#!&"机器人、法国的>+FS机器人［=］、中国科学院沈阳自动化研究所的勇士号核工业作业机器人和)HE#SS排险机器人。本文主要研究一种新型的月球机器人———五轮月球机器人的越障性能、转向性能、静态稳定性和附着性能。$五轮月球机器人的结构五轮月球机器人的结构如图!所示。图!五轮月球机器人的俯视图图!中，车轮!、$、%均能独立驱动和独立转向，车轮’、&是从动轮，没有独立驱动和独立转向的能力，所以，如果车轮!、车轮$和%、车轮’和&这三组之一出故障，剩下的车轮仍然能组成一个具备驱动和转向功能的底盘，依然可保证机器人能继续行走。因此，五轮月球机器人在某些车轮出故障后仍能返回登月舱附近。正常行驶时，车轮$、%只作驱动轮，不作转向轮，车轮!既作驱动轮又作转向轮。各车轮半径均相等。机器人U个电机中，有,个电机用于驱动车轮!、$、%及其转向，一个电机用于驱动俯仰齿轮副。俯仰齿轮副用于机器人越障时，使机器人的俯仰车架能够离开地面。电磁铁用于机器人倒退行驶时，限制机器人前、后车架绕垂直于地面的轴的相对转动。前、后车架由两个相互垂直的铰链连接。这种结构既使机器人能获&!《机械设计》$""!年&月Y&专题论文""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""机器人!收稿日期：$"""#",#"$；修订日期：$"""#!!#$U作者简介：刘方湖（!=U$#），男，上海交通大学机械工程学院博士生。研究方向：管道微型机器人和月球机器人。万方数据得很小的转弯半径，又能保证机器人的!个轮子在凹凸不平的路面上，任何时候均能与地面保持接触，还能保证机器人在转弯时，车轮"、!作纯滚动，不发生滑动。#转向性能分析五轮月球机器人的转向机理如图$所示。图中!"为斜坡的梯度线，!为机器人在斜坡上的方位角，以"#%线为基准，逆时针方向转动时!取正值，否则取负值。"为机器人的转向角，左转时"取正值，右转时"取负值。为了使车轮在转向行驶时不滑动，不强制拖行，车轮的轴线必须通过机器人的转动中心#%［%&］。机器人车转向行驶时，各车轮运行轨迹中最外侧车轮滚出的圆周半径，为机器人的转弯半径$：$%’()（&%’*+,"，&%-./"()’$），（&%-./"）$(&$$*&!$#()’$）式中：&%、&$、&#、)———分别为机器人导向部分、前车体、后车...
