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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 玉衡號——月面巡視探測器原理樣機(jī)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 針對月球表面的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，基于仿生學(xué)概念和關(guān)節(jié)型設(shè)計，設(shè)計了一種新型六輪月面巡視探測器原理樣機(jī)。整車由三節(jié)串聯(lián)而成，每節(jié)具有一對獨(dú)立驅(qū)動的圓柱一圓錐輪，由兩個三自由度的懸架結(jié)構(gòu)連接，三節(jié)之間能夠被動實(shí)現(xiàn)俯仰和扭轉(zhuǎn)相對運(yùn)動;懸架關(guān)節(jié)中設(shè)計有離合器，能夠根據(jù)需要鎖住關(guān)節(jié)或在電機(jī)驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)主動俯仰或前擺運(yùn)動，從而能夠使月球車根據(jù)路況以輪式或輪步方式移動。為了降低剛性車輪產(chǎn)生的振動，在車輪和支承軸之間設(shè)計了由金屬橡膠構(gòu)成的減振器。實(shí)驗(yàn)表明，對月球車的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和移動性能的分析，該車具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)能力和越障能力。 本項(xiàng)目為教育部第二屆“國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”、教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“航天器設(shè)計優(yōu)化與動態(tài)模擬技術(shù)”實(shí)驗(yàn)室學(xué)生創(chuàng)新平臺、教育部航空航天示范基地平臺項(xiàng)目，也作為2009年全國科普日大學(xué)生科技創(chuàng)新展區(qū)作品、中國科技館新館參展作品。
- 詳細(xì)介紹：
- 該樣機(jī)是一種主動越障與被動越障結(jié)合的混合適應(yīng)型月面巡視探測器原理樣機(jī)。整車由機(jī)械結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、控制與導(dǎo)航分系統(tǒng)、機(jī)械臂分系統(tǒng)、供能分系統(tǒng)四大分系統(tǒng)組成。 1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)——匠心獨(dú)運(yùn)的六自由度串聯(lián)型懸架機(jī)構(gòu)。車體由三節(jié)串聯(lián)組成，每節(jié)具有一對獨(dú)立驅(qū)動的圓柱—圓錐輪。前、后節(jié)與中間一節(jié)之間均由具有俯仰、扭轉(zhuǎn)和前后擺動三個自由度的空間懸架結(jié)構(gòu)聯(lián)接。圓錐輪使車軸裸露部分大大減小，降低了車輪被障礙物卡阻的可能性。 俯仰和扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計有離合器，處于釋放狀態(tài)時，三節(jié)間能夠隨地形產(chǎn)生被動的俯仰和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，使月球車在移動時，六個車輪均能著地，保持足夠的牽引力。關(guān)節(jié)處離合器處于接合狀態(tài)時，三節(jié)可以鎖為一體，使月球車能夠直接跨越較寬的壕溝；也可以在電機(jī)驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)主動俯仰運(yùn)動，使月球車能夠爬越更高的垂直或凸伸障礙。前后擺動關(guān)節(jié)能夠根據(jù)需要使月球車以輪步方式移動。 2. 控制與導(dǎo)航分系統(tǒng)——珠聯(lián)璧合的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和雙目視覺技術(shù)。 控制系統(tǒng)的控制器由DSP和CPLD組成，實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)全數(shù)字雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 導(dǎo)航系統(tǒng)由視覺導(dǎo)航系統(tǒng)、姿態(tài)測量系統(tǒng)、路徑規(guī)劃系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)組成。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)由CCD雙目視覺系統(tǒng)、一臺CMOS全景相機(jī)以及一臺安裝在機(jī)械手前端的導(dǎo)航相機(jī)構(gòu)成。雙目視覺系統(tǒng)具有二維邊緣檢測、二維特征提取、三維重構(gòu)、簡單的地形匹配等功能，實(shí)現(xiàn)車體的自主自適應(yīng)行走。姿態(tài)測量系統(tǒng)主要由三軸加速度計組成，在車體行駛時，可實(shí)時監(jiān)測車體位姿參數(shù)；在車體通過崎嶇路面后，對車體中間節(jié)的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，保證安裝在車體上科學(xué)儀器的安全穩(wěn)定和正常運(yùn)行。 3. 機(jī)械臂分系統(tǒng) 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算，使得機(jī)械臂拾取能力提高為原來的1.5倍，可拾取與機(jī)械臂分系統(tǒng)重量相當(dāng)?shù)哪繕?biāo)物。機(jī)械臂端部安裝的視覺導(dǎo)航相機(jī)，可觀察拾取物在模擬月壤所處狀態(tài)，有利于今后的科學(xué)研究時對場景的重現(xiàn)。 4. 供能分系統(tǒng) 本車電源采用高放電倍率的鋰電池組和鎳氫電池作為能源。具有重量輕、體積小、放電電流大等優(yōu)點(diǎn)。 現(xiàn)已生產(chǎn)樣機(jī)2臺，分別為玉衡一號與玉衡二號。玉衡一號主要作為參賽作品，玉衡二號供中國科技館新館展覽，并可實(shí)現(xiàn)與觀眾的互動交流。玉衡三號準(zhǔn)備參加由美國X PRIZE 基金會和Google Inc.在全球范圍內(nèi)舉辦的The Google Lunar X PRIZE 比賽。 目前實(shí)現(xiàn)主要功能： 1. 越障功能：當(dāng)障礙物高度低于設(shè)計越障高度時，可進(jìn)行越障行走。被動單側(cè)越障時，可越過大于車輪半徑的高度的障礙物；被動雙側(cè)越障時，可越過等于車輪直徑的高度。主動越障時，可越過大于車輪直徑的高度的障礙物。當(dāng)三節(jié)鎖為一體時，可以跨過寬度為1m的溝壑，并可攀爬坡度為50°的陡坡。 2. 避障功能：通過基于視覺導(dǎo)航的自動避障，即若障礙物的高度高于設(shè)計越障高度(350mm)時，可繞過障礙物繼續(xù)行走。 3. 路徑規(guī)劃功能：基于地圖的全局路徑規(guī)劃，采用改進(jìn)的人工勢場法，可在復(fù)雜的全景地圖上規(guī)劃出一條無碰路徑?；趥鞲衅餍畔⑷诤霞夹g(shù)的局部路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)局部自主行走。 4. 探測功能：在月球車后部安裝的機(jī)械臂，是一種帶有視覺導(dǎo)航的六自由度機(jī)械臂?？筛鶕?jù)需要拾取目標(biāo)物，完成探測任務(wù)。 該樣機(jī)水平與國內(nèi)2007年和2008年院所水平近似，與JPL(美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室)研制的Rocky 7部分性能相比擬。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1. 目的和基本思路：隨著“嫦娥一號”的成功發(fā)射，月面巡視探測器將發(fā)揮極其重要的作用。為滿足探月工程需求，要求月球車具有前進(jìn)后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡、采樣和抗側(cè)翻等基本功能，同時還要具有自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化月壤和自主行走的功能。為此，設(shè)計研制了“玉衡號”月面巡視探測器原理樣機(jī)。采用獨(dú)特的仿生學(xué)六自由度關(guān)節(jié)型懸架結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)能力和越障能力。 2. 創(chuàng)新點(diǎn)：①運(yùn)用仿生學(xué)理論中的關(guān)節(jié)型設(shè)計理念，設(shè)計了由兩個三自由度的仿生關(guān)節(jié)型懸架結(jié)構(gòu)連接的月球車。三節(jié)之間能夠被動實(shí)現(xiàn)俯仰和扭轉(zhuǎn)相對運(yùn)動;懸架關(guān)節(jié)中設(shè)計有制動器，能夠根據(jù)需要鎖住關(guān)節(jié)或在電機(jī)驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)主動俯仰或前擺運(yùn)動，從而能夠使月球車根據(jù)路況以輪式或輪步方式移動。②輪步式行走模式是對傳統(tǒng)僅依靠摩擦力行走的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了依靠輪地正壓力進(jìn)行行走的功能，更好地適應(yīng)了月面小摩擦力和月塵的實(shí)際情況。③采用模塊化設(shè)計思想，以及全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃技術(shù)，可自主自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的月面，完成巡視探測的設(shè)計目標(biāo)。 3. 技術(shù)指標(biāo)：重量15KG，速度0~1Km/H，車輪直徑260mm，被動單側(cè)越障高度200mm，被動雙側(cè)越障高度260mm，主動越障高度350mm，爬坡能力小于等于50°，跨越壕溝寬度大于1000mm。 4. 技術(shù)關(guān)鍵：六輪獨(dú)立驅(qū)動與多輪協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)主動容錯控制。遠(yuǎn)程遙操作，完成在自主行走失效條件下的探測任務(wù)，提高了系統(tǒng)的可靠性與容錯性。輪步式行走，可自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的月壤和月塵。人工智能可完成在月面的自主行走和探測任務(wù)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 國內(nèi)部分院所采用搖臂式結(jié)構(gòu)完成越障，本項(xiàng)目采用六自由度空間懸架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)新穎，具有步伐矯健、耳聰目明、心靈手巧三大特點(diǎn)。 1. 步伐矯健：運(yùn)用仿生學(xué)理論中的關(guān)節(jié)型設(shè)計理念，三節(jié)之間能夠被動實(shí)現(xiàn)俯仰和扭轉(zhuǎn)相對運(yùn)動；懸架關(guān)節(jié)能夠根據(jù)需要鎖住關(guān)節(jié)或在電機(jī)驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)主動俯仰或前擺運(yùn)動，從而能夠使月球車根據(jù)路況以輪式或輪步方式移動。輪步式行走模式實(shí)現(xiàn)了依靠輪地正壓力進(jìn)行行走的功能，更好地適應(yīng)了月面小摩擦力和月塵的實(shí)際情況。采用圓柱-圓錐輪設(shè)計，使空心軸暴露部分大大減小，大大降低輪軸被凸起障礙卡阻的可能性。 2. 耳聰目明：采用姿態(tài)測控分系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測車體運(yùn)動情況，并在通過崎嶇路面后進(jìn)行調(diào)姿，保證車體安全穩(wěn)定和正常運(yùn)行。采用容錯性強(qiáng)的視覺導(dǎo)航分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了簡單三維場景重構(gòu)。 3. 心靈手巧：通過全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃的巧妙結(jié)合，自主自適應(yīng)月面非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。抓取能力極強(qiáng)的全自由度仿生機(jī)械臂，完成探測任務(wù)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2008年 教育部“國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目” 2008年 本校第五屆電子科技創(chuàng)新大賽 一等獎 2009年 本校第十九屆“馮如杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽 一等獎 2009年 第五屆“挑戰(zhàn)杯”首都大學(xué)生學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽 二等獎 2009年 “航天器設(shè)計優(yōu)化與動態(tài)模擬技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 學(xué)生創(chuàng)新平臺 2009年 全國科普日 大學(xué)生科技創(chuàng)新展區(qū)作品 2009年 中國科技館新館 參展作品 2009年 教育部航空航天示范基地 本校成員項(xiàng)目 將于2010年參加第二屆亞洲區(qū)“飛向未來——太空探索創(chuàng)新競賽” 將于2010年參加由美國X PRIZE 基金會和Google Inc.在全球范圍內(nèi)舉辦的The Google Lunar X PRIZE 比賽。
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段，現(xiàn)已生產(chǎn)樣機(jī)2臺。其中一臺供中國科技館新館展覽，實(shí)現(xiàn)與觀眾的互動交流。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 成品直接轉(zhuǎn)讓或作為技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物與產(chǎn)品、現(xiàn)場演示、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢： 本項(xiàng)目具有步伐矯健、耳聰目明、心靈手巧三大特點(diǎn)。 步伐矯?。壕哂懈┭觥⑴まD(zhuǎn)、擺動三關(guān)節(jié)串聯(lián)型六自由度結(jié)構(gòu)，可自適應(yīng)復(fù)雜地形，具備抗側(cè)翻能力。月球車行駛過程中，六輪始終著地，保證足夠的車輪牽引力。車體為三節(jié)車輪輪距可變，即變長度結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了依靠輪地正壓力進(jìn)行行走的功能，更好地適應(yīng)了月面小摩擦力和月塵的實(shí)際情況。 耳聰目明：一套高線CCD雙目視覺系統(tǒng)和一臺全景相機(jī) 心靈手巧：基于人工勢場法的全局路徑規(guī)劃和基于視覺傳感器的局部路徑規(guī)劃。6自由度機(jī)械臂可靈活拾取樣本。 適用范圍：廣泛適用于軍工領(lǐng)域及民用領(lǐng)域。項(xiàng)目已被我校教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“航天器設(shè)計優(yōu)化與動態(tài)模擬技術(shù)”實(shí)驗(yàn)室確定為研發(fā)平臺，同時準(zhǔn)備在2009年9月的全國科普日上展出，也作為中國科技館新館參展作品。
同類課題研究水平概述
- 本項(xiàng)目在達(dá)到與國內(nèi)部分院所的部分技術(shù)指標(biāo)相接近的目標(biāo)的同時，在越障功能和三維場景重構(gòu)方面達(dá)到了美國JPL實(shí)驗(yàn)室(美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室)2006年水平。 玉衡一號 805所 201所 502所 重量 15KG 70KG 80KG 不詳 有效載荷 11KG 30KG 40KG 不詳 速度 1km/h 0.8km/h 1.2km/h 不詳 被動單側(cè) 越障高度 200mm 200mm 200mm 230mm 被動雙側(cè) 越障高度 260mm 220mm 260mm 250mm 爬坡能力 50° 40° 35° 不詳 跨越壕溝 寬度 1000mm 1100mm 不詳 1600mm 主動越障 高度 260mm 不詳 不詳 不詳 轉(zhuǎn)彎半徑 0.3m 原地轉(zhuǎn)彎 原地轉(zhuǎn)彎 1m 輪步式 行走 有 有 無 有 機(jī)械臂 拾取能力 0.6KG 無機(jī)械臂 0.5KG 0.6KG 控制系統(tǒng) 的控制器 DSP ARM ARM ARM 詳見項(xiàng)目論文第43頁
