六轮摇臂无人驾驶月球车的独立驱动转向系统及设计方法与流程

本发明涉及车辆的驱动转向系统设计，具体涉及一种六轮摇臂无人驾驶月球车的独立驱动转向系统及设计方法，属于机械设计领域。

背景技术：

无人驾驶月球车是进行科学探测活动必不可少的工具，它不仅可以克服月球未知危险的地理环境，而且能够搭载大量科学仪器、研究样品。在月球那种不可预见的复杂地理环境下执行探测任务，要求无人驾驶月球车必须有自适应能力强、性能优越的移动系统，它是影响月球车整体性能、安全可靠的关键因素。

月球表面只有稀薄大气的保护，暴露在宇宙环境下，路面条件由于陨石撞击崎岖不平，石块陨石坑和坡道密集。为了能够躲避未知的危险区、克服复杂的地形，月球车不但要有优越的直线行驶能力而且还要有出色的转弯能力。月球表面巨大的温度差，对材料的选择也有所局限。白天，月球表面在阳光垂直照射的地方温度高达127℃；夜晚,其表面温度可降低到-183℃，这些都对月球车的机构提出了特殊的要求。此外，登月舱的空间和承载能力有限，所以月球车体积越小越好，质量越轻越佳，而且必须可以折叠以减少存储空间。

针对月球车的工作环境和工作任务，总结为以下七种关键技术：

1.集成、轻量化的结构与机构设计技术：保证最小运载质量的同时，能够承受发射及降落过程中的过载冲击。

2.折叠展开技术：实现最小的运载体积，并利于登陆舱内电联结、减震装置等生命保障系统的布置。

3.高效推进技术：重点突破30°疏松陡坡，使得中国月球车能够走进美国和前苏联所未能到达的火山口，进行更有价值的科学探索。

4.高通过性悬架技术：要求具有自适应越野能力，能够克服月表复杂结构障碍。

5.环境适应性技术：能对抗月球的真空、辐射、温差聚变和粉尘等恶劣环境的部件及材料技术。

6.危机自救或功能降级技术：在无人操纵的情况下，行走系统必须保证安全、稳定、可靠地运行。

7.地面实验技术：即如何能在地面上模拟及仿真月球行驶操作环境，开展车辆的试验和性能评估。

六轮摇臂转向架月球车是最常见的月球车结构，这样机构行走时悬架机构被动适应地面，由于两侧摇臂通过差速器与车体相连，使得车体左右两侧摇臂负载近似一致，通过调整摇臂和转向架的机构参数可实现整个轮系的负载均匀；两侧摇臂通过差速器与车体相连，得车体的俯仰角度等于两侧摇臂转角的平均值，运行更加平稳。

关于六轮摇臂月球车的驱动和转向系统是实现月球车良好驱动力和转向灵活性的关键。最常见的驱动方式是驱动电机集中布置，依靠传动装置将动力分散到各个车轮，但是这样的方式传动系统和悬架结构复杂。常见的转向系统是差速转向，利用各车轮速度差来转向，但是这样的转向方式，转向半径有很大的限制，不够灵活。

技术实现要素：

针对背景技术中存在的问题，本发明提供一种六轮独立驱动转向方案。六轮独立驱动能够提供更好的动力；车辆前面两轮和后面两轮具有转向功能，使车体能够灵活地转向，包括原地转向。这样能最大限度得在小半径下转向，对于崎岖不平的环境中的平稳运行有重要的意义。

为了实现上述技术目的，本发明通过以下技术方案来实现：

六轮摇臂无人驾驶月球车的独立驱动转向系统，由转向系统、驱动系统和车轮组成。

六轮摇臂无人驾驶月球车的独立驱动转向系统的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1，驱动系统电机和行星齿轮加速器减速器的参数设计；

六轮摇杆月球车依靠车轮上的驱动电机获得前进的驱动力，电机的参数计算主要考虑车辆行驶方程，驱动力等于道路阻力、坡道阻力、空气阻力和加速阻力之和。其中不考虑空气阻力和加速阻力，只考虑道路阻力和坡道阻力。

通过车辆性能和所在的环境参数计算得到驱动系统应该提供的驱动力ft以及驱动电机的功率pt，再根据合适的安全系数来选择电机，根据需要的转速以及转矩选择合适的转速比，选择行星齿轮减速器。最后对驱动最大输出转矩进行校核。

步骤2，转向系统电机和行星齿轮加速器减速器的参数设计；

车轮的转向驱动力依靠前轮和后轮四只车轮的转向电机来提供。车辆应该具备的转向能力需要考虑到摩擦系数、载荷不均匀的安全系数、摩擦力作用圆半径等因素，可以计算得到转向系统的转向力fv、转向转矩tv、转向功率pv。根据适合的安全系数，选择转向电机。根据需要的转向转速以及力矩选择合适的转速比，选择行星齿轮减速器。最后对转向最大输出转矩进行校核。

步骤3，根据驱动以及转向电机和减速器确定电机套尺寸和装配关系；

电机套是固定电机的必要零件，它的尺寸主要取决于电机型号。电机套为了给电机提供可靠的定位，需要预留螺纹孔，内径要和电机和减速器有一起定的配合。

步骤4，车轮的结构设计；

车轮是重要的执行机构，月球环境的车轮材质和结构都和传统车轮有所不同，需要更加月球上巨大日夜温差以及砂石遍布的环境进行设计。

步骤5，转向系统实现的结构设计；

转向系统主要需要考虑实现对于整体结构的支撑，需要保证车轮在各个受力情况下，都能够保证只有一个旋转自由度。

步骤6，驱动系统和车轮的结构设计；

驱动系统需要考虑车辆的动力性，需要保证车轮安装的可靠，传动的效率，结构的寿命等因素。

步骤7，整体系统的密封设计；

在无人维修的恶劣环境下，在需要频繁相对运动的系统中，密封是保证系统正常运行且有合理寿命的重要保证。

本发明的有益效果在于：

本方法通过对驱动电机和转向电机的合理连接布置，达到月球车驱动和转向功能。这样的分散驱动方法和集中驱动的方式相比，省去了复杂的传动装置，大大减小车体的重量，同时对电机和减速器的性能的要求降低，而且如果有中间的电机出现故障，仍然能保持行走的能力。独立转向方式和差动转向方式相比，转向半径小，可以实现原地转向。因此整套方法对实现月球车的高效推进以及自适应强的转向能力有重要意义。

附图说明

图1为本发明的没有转向功能的中轮的结构示意图。

图2为本发明的具有转向功能的前后轮的结构示意图。

图3为本发明的应用背景六轮摇臂月球车三维模型图。

图4为本发明的六轮摇臂无人驾驶月球车的侧面尺寸示意图。

图5为本发明的六轮摇臂无人驾驶月球车的俯视尺寸示意图。

图6为本发明的结构零件示意图。

图7为本发明直行越障三维仿真图。

图8为本发明反向直行越障三维仿真图。

图9为本发明原地转向三维仿真图。

图10为本发明载荷不均匀越障三维仿真图。

附图标记列表：1-摇臂，2-第一外六角螺钉，3-转向电机，4-转向电机行星齿轮箱，5-上转向电机套，6-下转向电机套，7-双向推力球轴承，8-轴套，9-第一键，10-挡油环，11-左驱动电机套，12-驱动电机，13-驱动电机行星齿轮箱，14-第二外六角螺钉，15-右驱动电机套，16-弹性卡圈，17-角接触球轴承，18-第二键，19-车轮挡盘，20-第三外六角螺钉，21-垫片，22-车轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行更进一步的详细说明：

本发明提出一种六轮摇臂无人驾驶月球车独立驱动转向系统结构设计，由转向系统、驱动系统和车轮组成，主要的结构如图1和2所示。其应用背景六轮摇臂无人驾驶月球车整体驱动系统背景如图3所示，有转向系统的为一对前轮和一对后轮，无转向系统的为一对中轮。

本发明主要通过以下步骤实现：

步骤1，驱动系统电机和行星齿轮加速器减速器的参数设计。

由月球车功能要求以及月球表面的环境，月球车车体重量不超过50kg，满载重量不超过100kg，月球表面速度g＝1.63m/s，月壤滚动阻力系数参考干砂子路面的滚动阻力系数0.1-0.3，取值0.3，月球车应当能适应复杂路面包括陡峭坡道，至少应该能爬上30°坡道。

车辆的行驶方程式为ft＝ff+fi+fw+fj，由于月球车车速较低，加速度很小，可以忽略不计；月球上空气稀薄，且车速较低，空气阻力可以忽略不计。f＝0.3，ｉ＝tan(30°)＝0.577，所以车辆的行驶方程式简化为：

fta＝ff+fi＝mg(f+ｉ)＝100×1.63×(0.3+0.577)＝142.951n

选用六轮独立驱动，车轮半径为80mm，所以单个驱动电机的驱动力和驱动力矩为：

tt＝ftr＝1.9064n·m

按照要求，月球车行驶速度应该大于0.1m/s，月球车行驶速度不需要很快，最高速在0.3m/s可以满足要求，所以单个驱动电机功率至少为：

pt＝ftv＝23.84×0.3＝7.152w

(1)确定驱动电动机型号

月球车行走系统是载荷变化较大长期连续运行的机械，所选电动机额定功率ped大于所度的电动机工作功率pd，即ped＞pd，电动机工作才不会过热。

行星齿轮减速器效率为η＝0.7，选择12w的电机。

根据推荐选择maxon直流伺服电机，配maxon行星齿轮减速器。选择电机无刷，12watt，带霍尔传感器产品编号339276。

(2)确定驱动电机行星齿轮型号

需要车轮轴转速最大为电机额定转速为4390rpm，所以传动比为选择行星齿轮产品编号203126。行星齿轮减速箱能够承受最大连续输入转矩，且有比较大的安全系数。

(3)转矩校核

校核电机输出转矩是否满足设计需求，输出最大转矩为电机最大连续输出转矩乘行星齿轮箱效率乘减速比：

tmax＝tecηi＝0.027×0.7×190＝2.14n·m＞tt＝1.9064n·m

看出最大输出转矩大于设计要求，所以通过校核。

步骤2，转向系统电机和行星齿轮加速器减速器的参数设计。

月球车四轮转向，考虑路面不平整轮胎不均匀的情况，单一车轮要在载重50kg的情况下转向，考虑到原地转向时静摩擦力比较大，而且可能有路面不平整情况，取摩擦系数为0.5。转弯时，摩擦力作用圆周半径小于40mm。

fv＝ff＝50×1.63×0.5＝40.75n

tv＝fvrv＝1.63n·m

转向角速度不需要很大，2rad/s可以满足要求：

pv＝tvω＝1.63×2＝3.26w

(1)确定转向电动机型号

月球车行走系统是载荷变化较大长期连续运行的机械，所选电动机额定功率ped大于所度的电动机工作功率pd，即ped＞pd，电动机工作才不会过热。

行星齿轮减速器效率为η＝0.7，选择15w的电机。

根据推荐选择maxon直流伺服电机，配maxon行星齿轮减速器。选择电机mm，无刷，15watt，无传感器产品编号339271。

(2)确定驱动电机行星齿轮型号

需要转速最大为nw＝19.10rpm，电机额定转速为3720rpm，所以传动比为选择行星齿轮0.75-4.5nm产品编号166173。行星齿轮减速箱能够承受最大连续输入转矩，且有比较大的安全系数。

(3)转矩校核

校核电机输出转矩是否满足设计需求，输出最大转矩为电机最大连续输出转矩乘行星齿轮箱效率乘减速比：

tmax＝tecηi＝0.0245×0.7×190＝3.2585n·m＞tv＝1.63n·m

看出最大输出转矩大于设计要求，所以通过校核。

步骤3，根据驱动以及转向电机和减速器确定电机套尺寸和装配关系。

中轮的设计方案不包含转向系统，只有驱动系统，所以设计比较简单。用摇臂和驱动电机套相连接，驱动电机套主要有两部分组成，左驱动电机套内径为50mm，外径为60mm。右驱动电机套外径和左驱动电机套外径相同，内径增加两个直径42mm，宽5mm的台阶，这样给减速器提供足够的径向稳定支撑，同时配合表面积比较小，方便加工和装配，也留出散热的空间。右驱动电机套的重要设计是直径较小的外伸轴段来提供轮子的支撑作用，内径为16mm，外径为20mm。

前后轮的转向驱动系统设计，驱动电机套和中轮的大致相似，略有不同。因为要保证电机套能够灵活转向，转向部分需要设计适合双向推力球轴承的轴，这里主要是由两个台阶组成，直径分别为15mm和10mm。转向电机套的设计主要分为上转向电机套和下转向电机套。上转向电机套要和摇杆相连，同时起到固定定位转向电机的作用，内径为32mm，外径为45mm，行星齿轮加速器也在上转向电机套内，内径为35mm，内径稍大，方便散热。下转向电机套主要是和双向推力球轴承相配合，内径为32mm，精度要求比较高。

步骤4，车轮的结构设计

车轮是一辆车重要的构件，常见的轮胎是橡胶材质，有比较大的弹性模量同时与地面的弹性迟滞现象提供比较大的摩擦系数。但是在温差巨大的月球上，橡胶材料是不能够发挥作用的。所以采用弹性模量比较大，同时抗弯扭强度也比较大的铝合金制作车轮。

车轮采用三辐条设计，这样载荷分布比较均匀。轮子表面用网状结构，方便月球上松软沙土的排出，这样能减少石子卡入轮胎的风险。轮胎的表面还设计有均匀的突条，这样在上下坡的时候，抓地能力更好，能够爬上更高的坡度。可以从图4和5看出突条的分布，车轮一周10条，36°分布一条。

步骤5，转向系统实现的结构设计

转向的原理是通过对转向电机的控制以及行星齿轮减速器的减速，可以在减速器轴上输出转矩，用合理的方式将转矩传递到驱动电机套上，这样就能将整个驱动系统转向，从而达到转向的目的。转向系统的实现主要依靠电机套的设计以及双向推力球轴承。根据电机套内径的限制，采用内径为20mm的双向推力球轴承。

双向推力球轴承保证了在轮子受到任何方向的力，不论是向上还是向下的力，驱动系统都能与转向系统以一自由度的方式相连接。它们之间唯一的自由度就是绕行星齿轮减速器的轴旋转的自由度。轴自身可以限制径向移动和径向旋转四个自由度，通过推力球轴承可以限制轴向移动这个自由度。所以设计有轴肩的轴以及配合的轴套来定位和固定。当车轮收到向下的作用力时，作用力通过驱动电机套传递到轴套上，通过轴套传递到双向推力球轴承，然后传递到下转向电机套，从电机套将收到的作用力传递到车体。当车轮收到向上的作用力时，作用力通过驱动电机套的轴肩传递到双向推力球轴承，轴承通过精致的上保持架传递到行星齿轮加速器，然后传递到电机和摇臂。这样不论车轮收到什么样的作用力，系统之间都能够保证紧密的关联。

校核减速器键的强度。键为a型圆头普通平键，采用45钢，[σp]＝120mpa。平键b×h×l＝4×4×16mm。

键工作长度为

l＝l-b＝16-4＝12mm

平键挤压应力σp(mpa)的计算公式为

式中

t为所受扭矩(nmm)；

d为轴直径(mm)；

h为平键高度(mm)；

l为键工作长度(mm)；

转向减速器与轴的挤压应力为

故此键能安全工作。

步骤6，驱动系统和车轮的结构设计

驱动系统的驱动原理是驱动电机输出转矩和转速，通过行星齿轮减速器减小速度增加转矩，输出合适的转矩给车轮，实现行走功能。

为了车辆的寿命和安全性的考虑，设计全浮的车轮结构，这样结构的好处是，减速器的轴不用受到弯扭合成力，弯矩由驱动电机套承受，减速器的轴只会承受从车轮挡环传递而来的转矩，这样对轴的寿命有很大的好处。同时，这样的设计有利于无人维修状态的自适应，如果出现轴断裂的意外情况，车轮虽然不再具有驱动能力，但是不会脱落，仍然会处在电机套上。这样的话，通过改变算法，月球车仍然能具有驱动能力。全浮设计的原理就是用右电机套承受弯矩，用车轮挡环传递弯矩到减速器。这里支撑系统用一对角接触球轴承，这样的车轮能够承受各个方向力，适应于复杂多变的月球环境。承受弯矩部分为电机套的，内径16mm外径20mm长27mm，配合内径20mm的角接触球轴承。

车轮挡环内径10mm和减速器轴配合，外径15mm，和支撑电机套内径相互作用不接触。它用来承受弯矩，为车轮供动力，所以与车轮的固定采用六组螺钉连接，均匀载荷。

校核驱动减速器键的强度。键为a型圆头普通平键，采用45钢，[σp]＝120mpa。平键b×h×l＝5×5×18mm。

键工作长度为

l＝l-b＝18-5＝13mm

转向减速器与轴的挤压应力为

故此键能安全工作。

步骤7，驱动转向系统密封设计

驱动转向系统是比较精密的部件，有比较多相对转动的部件，在无人维修的状况下，良好的密封措施是保证机械结构寿命的重要因素。月球巨大温差环境限制传统密封材料的发挥，比如常用的胶圈、毡圈等会在极端温度下失效，不能使用，所以采用金属垫圈以及金属圈来进行密封。

主要的密封措施围绕两个电机套展开，电机套内电机和轴承免受砂石的侵扰。所以在上转向电机套和摇臂相连接表面要设置垫片，在下电机套部分要定制铝合金材质的密封圈，在右驱动电机套部分需要设置卡圈以及电机挡圈垫圈。两对电机套的固定采用焊接的方式，在月球上不用考虑维修拆装的方便性，测试通过的结构应该最大限度保证稳定坚固以及轻便安装简单。

材料说明：

如图6所示，主要的结构采用质量较轻、耐高温、比强度较高的铝合金1060合金。摇臂1、上转向电机套5、下转向电机套6、轴套8、挡油环10、左驱动电机套11、右驱动电机套15、车轮22都采用1060合金制造。

第一外六角螺钉2、第二外六角螺钉14、第三外六角螺钉20采用材料a3，垫片21采用65mn材料。

第一键9和第二键18采用45钢的材料，强度经过校核。

配合说明：

在重要的实现功能的表面需要设计配合，配合标注如图6所示。

电机与电机套：j6/h7，电机是标准件，所以采用基轴制，电机和电机套需要一定的精度要求，这样电机能比较好的对中，但是不需要太紧，所以采用过渡配合。

双向推力球轴承与轴和电机套：双向推力球轴承是实现精准转向的重要零件，需要要求比较高的配合。内圈采用基孔制m6，外圈采用基轴制m6都是比较紧的过渡配合。

转向减速器轴套与驱动电机套的轴：轴套与轴采用基孔制，因为孔比较难加工，轴套需要与轴配合来定位，所以采用h6/m6。

驱动减速器轴套与轴：轴套与轴采用基轴制，电机轴为出厂标准件，轴套需要与轴配合来定位，所以采用m6/h7。

角接触球轴承：角接触球轴承是实现驱动的重要零件，它是标准件，所以内圈和电机套采用基孔制n6；外圈和车轮采用基轴制n6。

装配方式说明：

合理的结构经过正确的装配才能实现其作用，驱动转向系统主要是要将整体的结构安装到摇臂上。以下是有转向功能的结构安装方法：

首先安装转向系统部分，参考零件序号，将转向电机3和转向电机行星齿轮箱4安装到上转向电机套5，采用螺纹连接，电机和电机套的上缘对齐；安装双向推力球轴承7的步骤为将轴承安装到下转向电机套6中，通过二者之间的过渡配合固定，将左驱动电机套11的轴安装到轴承孔中，将轴套8套在轴上对下转向电机套进行定位，这是左驱动电机套已经和转向电机套的相对位置通过轴承固定住了，二者之间保持着相对转动的关系。安装过程注意键的位置，随后将减速器的轴与驱动电机套上的轴套相连接，调整上下电机套的间距，最后将上下转向电机套通过焊接方式封闭。

随后安装驱动系统部分，此时左驱动电机套11已经和转向结构相连，将驱动电机12通过第二外六角螺钉14固定，在驱动电机上连接驱动电机行星齿轮箱13，减速器的键需要在此步骤安装完成，然后套上右驱动电机套15，驱动电机套的凸台和减速器外表面配合良好，这样在径向定位准确，方便通过焊接方式闭合左右驱动电机套。调整焊缝的间隙，将左右驱动电机套闭合。

最后安装车轮部分，车轮采用全浮结构，现在有驱动电机套的车轮轴上安装弹性卡圈16，主要为了角接触球轴承的定位、承受车轮向左的力以及对轴承密封。将角接触球轴承17背对背安装，即左边的轴承提供左下方向的反力，右边的轴承提供右下方向的反力。背对背安装是，载荷作用跨距大，悬臂端的刚性较大，当轴受热生产时，游隙增加，所以不会发生卡死的故障。安装上车轮22，调整轴承游隙在合理范围内，检查车轮滚动是否顺畅。将车轮挡盘19安装在减速器轴上，通过键周向定位，挡盘内径和减速器轴接触，而外径不和电机套的内径接触，转动自然顺畅，没有摩擦。车轮挡盘通过第三外六角螺钉20轴向定位，保证车轮的可靠。

最后在安装好驱动转向系统之后，将系统的上转向电机套和摇臂通过螺栓、螺母、垫片固定。

没有转向功能的中轮结构安装方法和有转向的结构相似，省去了转向系统安装部分，直接安装驱动电机、减速器和车轮，安装步骤和前后轮相似，先安装驱动装置，将驱动电机套闭合之后，安装车轮。

仿真案例

下面对设计结构进行仿真模拟，主要对四种运行工况进行模拟，得到直行越障、反向直行越障、原地转向以及载荷不均匀越障姿态的模拟。

直行路面环境如图7和8所示，路面起伏设置用样条曲线，在z方向上对称分布。车体质量采用材料密度的设置方法，设置材料为铝合金，软件计算得到车体总质量为40.56kg，车轮与电机用转动副连接，只有一个绕z轴的转动自由度；主摇臂和副摇臂用转动副连接，只有一个绕z轴的转动自由度；车轮与地面接触设置库伦摩擦，静摩擦系数为0.4，动摩擦系数为0.3。直行条件下，设置驱动维持车轮转速为70°/s即11.67rpm，车轮直径为160mm，使得车辆在平地上获得0.1m/s车速。

车辆坐标系x方向是前进方向，绕x轴的转动时侧倾运动；y方向是垂直方向，绕y轴转动是横摆运动；z方向是侧向，绕z转动是俯仰运动。x方向即前进方向上质心位置变化最大，月球车能够以0.1m/s的速度前进；在y方向即垂直方向上月球车的加速度最可观；z方向即侧向上的位移、速度、加速度可以忽略。车辆在平面行驶，驱动设置车轮转速70°/s，行星齿轮减速比为113:1，电机转速1318.71rpm，在要求之内。车轮转角加速度在开始越障以及越过障碍顶端时，比较大。电机转矩在上坡时有所上升，在下坡时需要制动。分析各轮电机转矩和各轮位置转速，可以看出，上坡时转矩逐渐上升，下坡时转矩逐渐下降。在上坡时电机转速变小，这和电机特性相同，以便提供较大转矩来帮助上坡。

通过对反向直线运行模拟，看出转向架在后侧的运行方式，质心垂向加速度变化稍微小一些。这主要是由于转向架在上坡的时候，中轮和后轮一起支撑，比较稳定一些。转向架在后侧的运行方式，质心角加速度变化稍微大一些。这主要是由于转向架前侧时，转向架先转动，带动摇臂转动，再将转角传递到质心。而转向架在后侧，上坡时，轮子将垂向变化直接传递到转向架，这样角速度变化比较大。总体来说，月球车前进和后退的功能都能得到实现，性能差别比较小，都能稳定运行，达到比较良好的效果。

原地转向以及载荷不均匀越障路面环境如图9和10所示，原地转向在平地状态下模拟，载荷不均匀路障模拟方式为设置前进方向不均匀的载荷为两块载平面上的不在同一x坐标上小圆柱状突起。

原地转动速度比较平稳，原地转向时，质心绕着旋转中心做匀速圆周运动，所以在x和z方向上位置曲线呈三角函数特性。转向角速度比较平稳，保持在9°/s。

月球车在左右障碍不一致时有比较强的越障能力。选取质心位置和质心x轴方向位置作图，z轴上车辆行驶路径会有一些偏差。在遇到障碍时，三个方向都会有一定速度和角速度。不同于左右载荷一致时，只有俯仰角速度和角加速度显著变化。在这样的路面上，可以看到侧倾角速度非常明显。

可以看出，这样装备驱动转向系统的六轮摇臂无人驾驶月球车具有良好的转向驱动能力。通过对驱动转向系统的应用，可以使月球车取得良好的动力性能以及灵活的越障能力。