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摇杆转向架

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旅居者号漫游车
运动中的底盘貌似保持水平状态,实际上只是维持在两条摇臂的倾斜平均值水平上。
好奇号的摇杆转向架。

摇杆-转向架(rocker-bogie)系统是1988年开发用于美国宇航局旅居者号火星探测漫游者上的悬架装置[1][2][3]。自那以来,它已成为美国宇航局最受欢迎的漫游车设计[4],它先后被用于2003年火星探测漫游者任务机器人勇气号机遇号[5]、2012年火星科学实验室任务漫游车好奇号 [6]以及火星2020毅力号火星车上[7]

悬架“摇杆”部分为漫游车两侧车身上更大铰链机构的摇杆部分,这些摇杆通过差速器相互连接并与车辆底盘相连。相对于底盘,摇臂将以相反方向上下摇摆,以保持所有车轮同时触地。底盘保持在两具摇杆的平均俯仰角水平上。摇杆一端装有驱动轮,另一端则与转向架枢轴连接。

悬架的转向架部分是指较小的铰链机构,该连杆机构以中间的摇杆为枢轴,两端各有一只驱动轮。转向架通常用作军用坦克履带中的负重轮,作为在地形上分配负荷的惰轮,并且在半挂式拖车中也很常用。坦克和半挂车现在都更偏好拖臂悬架。

在旅居者漫游车上,前轮与转向架相连,而在火星探测漫游者和火星科学实验室漫游车上,前轮与摇杆相连。

设计

摇杆-转向架采用非弹簧分体式设计,可使漫游者翻越最大为车轮直径两倍的障碍物(如岩石),同时保持六轮触地[8]。与所有悬架系统一样,其倾斜稳定性受重心高度的限制。当负载侧产生重压下沉时,使用弹簧的系统更容易倾覆。基于质心位置,火星科学实验室任务的好奇号漫游车可在任何方向承受至少45度的倾斜而不会发生倾覆,但自动传感器限制漫游车倾斜角超过30度[9]。该系统设计应用于大约厘米/秒(3.9英寸/秒)的低速下,以便在越过较大障碍物时将动态冲击和对车辆的间接损害降至最低。

喷气推进实验室指出,与其他悬挂系统相比,这种摇杆转向架系统将火星车主要的车身运动减少了一半。好奇号漫游车六只车轮中的每一只都安装有一台独立的马达[10]。两只前轮和两只后轮都有单独的转向电机,使车辆能够原地转向。每只车轮上也有轮齿,为在软沙地上行驶和翻越岩石提供了抓地力[11]。 以此种方式运作的机器人最大时速受到限制,以便尽可能多地消除使电机减速的动态影响,使每只车轮都能单独承载起整个车辆的大部分质量。

为翻越突起的地面障碍物,前轮被中间轮和后轮推向障碍物。然后,前轮转动将车辆前部抬起并越过障碍物。接下来,后轮继续将中间轮顶向障碍物,而前轮将中间轮拉到障碍物上,直到它被抬起并越过障碍物。最后,后轮被前两只车轮拉过障碍物。在每只车轮翻越障碍物的过程中,车辆的前进速度会减慢或完全停止。但迄今为止,就这些车辆的行驶速度而言,这不是问题。

漫游车未来的应用之一将是在地面作业期间协助宇航员,成为一名有用的助手,漫游车的移动速度必须至少达到人类行走的速度。现已提出的其他任务,如太阳同步月球极地探测车,则需要4–10公里/小时的更高速度。

参考文献

  1. ^ US 4840394,Donald B. Bickler,「Articulated suspension system」,发表于1988-04-21,发行于1989-06-20,指定于NASA 
  2. ^ NASA Patent Abstracts Bibliography, Section 1. Abstracts (PDF). ARTICULATED SUSPENSION SYSTEM: 19. June 1990 [2022-05-20]. (原始内容 (PDF)存档于2022-05-23). 
  3. ^ Bickler, Donald. Roving over Mars. Mechanical Engineering. April 1998: 74–77. (原始内容存档于2008-10-22). 
  4. ^ Miller, David P.; Lee, Tze-Liang. High-speed traversal of rough terrain using a rocker-bogie mobility system (PDF). Proceedings of Space 2002: The Eighth International Conference and exposition on engineering, construction, operations, and business in space, and proceedings of Robotics 2002: the Fifth International conference and exposition/demonstration on robotics for challenging situations and environments. Space 2002 and Robotics 2002. Albuquerque, NM. March 17–21, 2002 [2022-05-20]. ISBN 0-7844-0625-1. (原始内容 (PDF)存档于2020-11-12). 
  5. ^ Rover Wheels. Mars Exploration Rovers: Mission. NASA. [29 March 2019]. (原始内容存档于2019-08-06). 
  6. ^ Wheels and Legs. Mars Science Laboratory: Curiosity Rover. NASA. [29 March 2019]. (原始内容存档于2019-03-29). 
  7. ^ Rover Wheels. Mars 2020 Mission. NASA. [29 March 2019]. (原始内容存档于2019-06-29). 
  8. ^ https: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wiki1Rocker-bogie_mechanism_animation.gif页面存档备份,存于互联网档案馆Reina, Giulio. On the Mobility of All-terrain Rovers. Industrial Robot. 2013: 12. doi:10.1108/01439911311297720. 
  9. ^ Makovsky, Andre; Ilott, Peter; Taylor, Jim. Mars Science Laboratory Telecommunications System Design (PDF). Pasadena, California: Jet Propulsion Laboratory. November 2009 [2012-08-07]. (原始内容 (PDF)存档于2013-02-28). 
  10. ^ Gross, Michael A.; Cardell, Greg. An overview of NASA’s Mars Science Laboratory (PDF). 9th European Space Power Conference (ESPC). Sainta Raphael, France. June 6, 2011 [2022-05-20]. (原始内容 (PDF)存档于2021-06-29). 
  11. ^ https://www.jpl.nasa.gov. An Algorithm Helps Protect Mars Curiosity's Wheels. NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL). [2022-02-16]. (原始内容存档于2022-06-04) (美国英语).