压电驱动履带式月面探测巡视行驶系统的研究

This proposal aimes at moon surface exploration vehicle with simplified structure and high reliability utilizing principle of piezoelectric excitation and friction driving. Since tracked vehicle has the advantages of large footprint,even distributed ground pressure and high adaptbility to coarse surface,a new method of tracked vehicle driven by friction forces from a frame mounted with piezoelectric elements is proposed. The vehicle will be designed with no driver sprocket, no idler-wheel and no supporting bogie wheels, and thus will require no lubrication and will have potential application in moon and other planetary surface exploration. The frame of the vehichlle consists of a pair of piezoelectric transducers. Each transducer will comprise four annular parts jointed by beams adhered with piezoelectric ceramics. The tracks will be set to the outer surface of the annular parts by means of track tension. Traveling rotating waves are generated by piezoelectric transducers in the annular parts, which will generate microscopic elliptical motions at the interface of the tracks. The microscopic elliptical motions from the piezoelectric transducers drive the track vehicle to move. Because that there will be no complex structure as driver sprocket, idler-wheel and supporting bogie wheels and it will need no lubrication, which eliminates the problem of lubrication volatilization and deflation, it has great potential in planetary surface,to be realistically for the time being, in moon surface exploration.

本项目以精简机构、提高可靠度为主要目标，将压电激励和摩擦驱动原理用于月面探测车。结合履带所具有的接触面积大、压力均衡、对粗糙表面的适应性强以及越障能力强的特点，提出集成有压电元件的一体化车架新结构，通过振动和摩擦作用直接驱动履带的新原理。研究影响驱动效率和稳定性的因素及其作用规律，建立提高驱动效率的理论和方法，构建无运动副、无需润滑剂、重量轻、结构紧凑的履带行驶系统，探索月面巡视探测器驱动的新结构、新方法。车架由一对压电换能器组成，每个压电换能器由四个圆环形构件连接的四个安装有压电陶瓷片的梁形构件构成。履带由压电换能器四个圆环形部分的外表面张紧，通过压电激励在圆环部分产生沿圆周方向的行波，使圆环部分外表面上的质点产生微幅椭圆运动，通过摩擦作用推动履带运动。系统中没有了传统履带车所必须的链轮、惰轮、负重轮等机构，不再需要润滑剂，在行星探测尤其是诸如月球等没有气体的行星环境下具有重要应用前景。

提出了三种不同结构的压电驱动履带行驶系统：基于弯曲行波的履带行驶系统、基于扭转弯曲行波的履带行驶系统和夹心式履带行驶系统。开展了压电振子结构优化、表面质点的运动学与动力学行为、接触边界条件与结构动力学行为的相互作用以及履带行驶系统对高/低温、真空以及复合环境的适应性等方面的研究。基于弯曲行波的履带行驶系统在常态环境下驱动电压为460Vpp时最大速度57 mm/s，越障高度为27mm；在低温环境下可工作至-60℃，当驱动电压为300Vpp，速度为在-50℃达到最大31mm/s。经过结构优化后，夹心式压电振子工作模态频率差为8Hz，前、后干扰模态频率为1098Hz和1323Hz；在常态环境下夹心式履带行驶系统的运动特性：最佳工作频率35.1kHz，启动时间120ms，制动时间25ms，瞬时运动速度呈周期性变化；在500Vpp的驱动电压下，平均运动速度为72mm/s；在320Vpp的驱动电压下，牵引力为0.48N，驱动电压300Vpp时，最大负载重量为1.44kg (样机自重0.4kg)。试验研究了夹心式压电驱动履带行驶系统对高/低温、真空及其高/低温和真空复合环境的适应性：工作温度范围-100℃到140℃；驱动电压为300Vpp时，履带行驶系统的速度随温度上升，与20℃时相比，140℃时速度增加了32%，达到34mm/s。尽管温度对履带行驶系统的机械特性有较大影响，但是履带行驶系统仍表现出了对环境温度的良好适应能力；真空度的变化并未造成驱动频率和速度的显著变化：驱动电压为300Vpp，真空度为e5Pa、e-3Pa时最大速度分别为25mm/s、27mm/s；高/低温和真空复合环境表明：履带行驶系统在高真空环境（e-3Pa）下，仍可工作在-100℃到140℃范围内，而且与真空度为e5Pa相比速度基本相同，表明温度变化是复合环境下履带行驶系统机械性能发生变化的主要原因。夹心式履带行驶系统具有较高的移动速度、较大的牵引力和负载能力，可适应月面的环境。项目执行期内，课题组发表期刊论文14篇（其中EI检索6篇、SCI源刊8篇），申报中国发明专利18项，已授权5项。