月球行星探测车构型

轮式探测车

目前出现的轮式月球/行星探测车主要有单轮、三轮、四轮、五轮、六轮及八轮等几种。。

单轮式探测车美国卡内基梅隆大学机器人研究所研制了一种基于陀螺进动原理的新型单轮式探测车“陀螺车”（Gyrover），如图6-20所示。“陀螺车”是一个尖边轮机构，轮内装有三个驱动器：高速马达、侧倾马达和驱动马达。高速马达带动一个悬挂飞轮高速旋转，以使“陀螺车”保持动态稳定；侧倾马达控制旋转飞轮的角度，进而控制“陀螺车”的转向；驱动马达通过改变“陀螺车”内部的摆动质量来控制其前进和后退的加速度。该探测车用一个车轮代替整个车体，较好地利用了“圆”这种几何结构的地形适应能力，减小了整车体积，增加了探测车的机动性和灵活性。

日本东京电子通信大学也研制了一种球形移动探测车，该车由一个球形轮和一个装在球形轮上起平衡作用的弧形体构成。其中三个驱动电机装在球形轮内的一个单摆上，用于控制球形探测车的滚动、俯仰和偏转角。由于球形轮在各个方向上的截面均是圆，故比“陀螺车”具有更好的地形适应能力。

图6-20　美国卡内基梅隆大学机器人研究所研制的单轮式探测车“陀螺车”

三轮式探测车摇日本的马仕达公司和东京工业大学联合开发了“三星2号”探测车。该车采用轴环和可压缩轮结构，装载时体积较小，充分展开时的大小为1米×1.2米×1米，收缩时仅为0.6米×0.6米×0.8米。发射时呈收缩状态，折叠比为373%，如图6-21。该车质量（包括有效载荷）60千克，平均移动速度0.5米/秒，能翻越的最陡坡度为30°，具有较强的机动性。轮子的结构比较独特，直径可以变化，最大可扩张为456毫米，最小可收缩为236毫米。

四轮式探测车在“阿波罗15号”飞船登月过程中，宇航员首次在月球上乘坐“月球老爷车”（MoonBuggy）遨游探测。该车只在白天工作，是一种具有双座自动行驶装置的类似吉普的四轮车，其外形参见图6-22。该车质量约726千克，长3.1米，宽1.8米。车体大部分采用铝结构，车轮由镀亚铅的钢丝编制而成，4个车轮均独立驱动，前、后轮带有舵，在两驾驶位置处装有手动控制器来控制其运动。“月球老爷车”的移动速度约8.1千米/小时，实际平均行走距离约29千米。美国发射的“阿波罗16号”和“阿波罗17号”登月飞船也携带了这种类型的探测车。

美国桑地亚国家实验室机器人车辆部于1991年提出一种四轮驱动的月球探测车“拉特勒”，其英文名RATLER系RobotAllTer鄄 rainLunarExplorationRover的首字母缩略词，意为“全地候机器人月球探测车”。“拉特勒”采用转向节悬挂和差速转向，利用空心枢轴得到可变形的底盘。当探测车行驶于复杂地形上时，可保持其四轮同时着地。但只有车体的中心靠近枢轴的轴线或几何中心时，才能保证探测车爬越较大障碍。

图6-21　日本研制的三轮式探测车“三星2号”

美国卡内基梅隆大学机器人研究所还研制了新一代月球和火星探测车“诺马德”（Nomad），如图6－23所示。该探测车由可变形底盘、均化悬挂系统和自包含车轮组成，是一个具有独立驱动和导向能力的四轮结构，采用2个转向节的浮动边框架来平均车轮的受力，每个转向节分别作为左、右车轮的支撑结构。“诺马德”有3种转向方式：差速转向、艾克曼（Ackerman）转向和原地转向。差速转向用于车体未展开和转向电机出现故障时，原地转向用于机器人被困时，而多数情况下采用艾克曼转向。该探测车的最大移动速度为0.5米/秒，于1997、1998年分别在智利的阿塔卡马沙漠和南极地区通过了实地测试。

图6-22　美国“阿波罗15号”的宇航员首次乘坐的四轮式月球探测车“月球老爷车”

图6-23　具有独立驱动和导向能力的四轮式探测车“诺马德”

美国喷气推进实验室在分析了以往大型探测器（800～1000千克）之后，自1989年开始研制质量在5～50千克之间的微型探测车，“纳诺车”（Nanorover）是其中的一种，属超小型结构。该车是具有摆动悬挂底盘和自动复位结构的4轮探测车。在平缓地形行驶时以四轮滚动方式前进，在崎岖地形行驶时则相当于一个4足机器人，如图6－24所示。“纳诺车”仅重100克，可行驶3米，计划应用于21世纪初的小行星表面探测任务。

图6-24　“纳诺车”仅重100克，可行驶3米

五轮式探测车具有代表性的五轮结构探测车是日本马仕达公司研制的“微5”（Micro5）。该车采用5点接触悬吊结构，如图6－25所示。其中4个角轮为驱动轮，中间轮为支撑轮，可绕横梁节点转动，并通过其转动来调整重力在各轮上的分配，从而提高车体的稳定性和越野性。该车的车轮直径为100毫米，平均速度为1.5厘米/秒，最大爬坡高度为40°，最大越障高度为130毫米。

六轮式探测车美国喷气推进实验室在月球/行星表面探测车研制方面代表了该领域的最高水平。该机构开发了“罗基”系列新型火星探测车：“罗基1号”、“罗基3.0号”、“罗基3.2号”、“罗基4号”、“罗基7号”等，其中“罗基7号”火星探测车的结构如图6－26所示。该车的质量约15千克，有6个车轮，车体尺寸为480毫米× 640毫米×320毫米，其移动系统采用摇臂—转向架式悬挂，能够自动适应复杂的月球/行星地形环境。

1997年，由美国“火星探路者号”探测器携带的“索杰纳号”火星车在火星表面成功着陆。该探测车是喷气推进实验室研制的一种自主式机器人车辆，为“罗基7号”的简化型号（图6-27）。“索杰纳号”的质量不足11.5千克，车体尺寸为630毫米×480毫米×280毫米，车轮直径为130毫米，表面装有不锈钢防滑链条。该车有6个独立悬挂的车轮，前后均装有独立的转向机构，移动系统采用摇臂—转向架式悬挂结构，能在各种复杂地域行驶，特别是软沙地，最大移动速度为0.7厘米/秒。

图6-25　日本马仕达公司研制的五轮式探测车“微5”

图6-26美国国家宇航局喷气推进实验室研制的六轮式探测车“罗基7号”

图6-27　“索杰纳号”火星探测车

“勇气号”火星探测车（图6-28）于2004年1月3日在火星表面成功着陆，目前仍在执行科学探测任务。它是一个高度自动化、运动范围较大的科学实验和取样收集系统。该探测车具有6个独立的驱动车轮和转向车轮，质量约为180千克。

瑞士联邦理工学院和瑞士自动化系统实验室于2002年研制了“小虾”（Shrimp）探测车。该车具有6个独立的驱动车轮，车体质量为3.1千克，采用的是平行悬挂结构，可适应崎岖的地形。该车的6个车轮能同时与半径为30厘米的凸面和半径为35厘米的凹面接触，跨越两倍于车轮直径的垂直障碍（图6-29）。

图6-28　美国的“勇气号”火星探测车

图6-29　瑞士研制的“小虾”探测车

俄罗斯对月球/行星探测车的研究也比较活跃，图6-30所示的探测车是俄罗斯研制的“火星车”。该车质量约为75千克，车体尺寸为700毫米×950毫米×700毫米，底盘是可变形结构，6个由钛合金制成的直径为350毫米的圆锥形车轮可滚动或爬行，最大移动速度0.15米/秒，能爬越最高50厘米的障碍，移动范围为100千米。该探测车准备先探测月球，再探测火星。

八轮式探测车苏联在1970年11月10日发射的“月球17号”探测器携带了历史上第一辆月球探测车——“月球车1号”。它是一辆8轮月球探测车，外形如图6－31。该车质量约为756千克，长约2.94米，宽约1.96米，车体结构分为上下两部分，上部分是仪器舱，下部分是自动行走底盘。仪器舱是由镁合金制成的密封舱，保证仪器设备工作时不受月面环境的影响。“月球车1号”可以爬上30°的斜坡，越过40厘米高的障碍和60厘米宽的沟壑。该车有两个速度档，分别为1千米/小时（约28厘米/秒）和2千米/小时（约56厘米/秒）。但由于月面坎坷不平，加之无线电信号在月地间来往传输的延迟，实际上其运动速度仅达0.14千米/小时（约3.9厘米/秒）。

图6-30　俄罗斯研制的六轮“火星车”

图6-31　历史上第一辆月球探测车“月球车1号”

图6-32　苏联“月球车2号”两个轮子的特写镜头

“月球车2号”也是一辆8轮的探测车，图6-32是两个轮子的特写镜头。该车由“月球21号”探测器携带，于1973年降在月面澄海的东部。该车在结构上有所改进，运动速度有所提高，摄影性能有所改善，活动范围比“月球车1号”扩大很多，其结构见图6-33。

“月球车”的车体是一个密封的箱体，充满了氮气，气压维持在正常的大气压标准，钋210源提供热量在夜晚保持小车的温度，上面的盖子是活动的，在14天的月球夜晚将盖上，起到密封作用，在月球的白天里，盖子打开，上面的太阳能电池将为漫游车供电。在恒温箱里放的是各种电器设备。

图6-33　“月球车2号”结构示意图。上图为侧视图，下图为仰视图

“月球车”上装有两种天线，一种是螺旋天线，一种是圆形天线，其中螺旋天线是主要天线，它的方向可以在地面控制，以确保始终朝向地球，通信的方式是直接和地面通信。

车上装备了3台电视照相机，一台装在漫游车之上用于导航，能以不同的速率向地球传回高分辨率的图片，速率分别是每帧3.2秒、5.7秒、10.9秒或21.1秒，在车上安装了4个全景相机，全景相机的测试范围是水平方向360°，垂直方向30°。这些相机的目的是用来向地面传输导航图像和电视图像的。

漫游的控制方式是由地面工作人员控制的，5个人组成的地面工作小组根据图像来控制月球车，其中有一个人的任务负责控制螺旋天线的方向，使螺旋天线始终朝着地球的方向，来保证系统和地面通信的顺畅。

图6-34　俄罗斯研制的履带式探测车“履带1号”

履带式探测车

目前，关节履带式结构的研究现已比较成熟。图6－34所示的“履带1号”是全俄运输机械研究所研制的履带式探测车。该车结构设计紧凑，动载荷较小，有较强的地形适应能力。原型测试表明该车具有较强的移动性能。美国遥技公司（Remotec）的“安德罗斯马克5A”（ANDROSMarkV-A）机器人（前后有摆臂）、法国阿尔斯通公司的“拉米”（RAMI）机器人（前后有摆臂）等，均采用关节履带式移动系统。

腿式探测车（机器人）

美国的卡内基梅隆大学开发了有缆式八腿探险机器人“但丁号”（Dante，图6-35）和“但丁2号”（DanteⅡ，图6－36）。“但丁号”宽2米，高3米，重400千克，于1993年1月对南极的埃里伯斯火山口进行了探险，为进一步开展星球探测奠定了基础。“但丁2号”为“但丁号”的改进型，于1994年7月至8月对距安克雷奇145千米的斯珀火山进行了考察，传回了各种数据和图像。“但丁2号”采用4倍缩放仪腿式结构，速度1米/分钟，步长1.1米，最大可跨过障碍为1.27米，最大单步转弯11°。

图6-35　美国研制的“但丁号”八腿探险机器人

图6-36　美国的“但丁2号”八腿探险机器人

美国卡内基梅隆大学也研制了新型腿式探测机器人“安布勒”（Ambler）。该探测机器人采用正交腿结构，正交腿由在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内运动的伸展杆组成。伸展杆采用被动脚并能独立调节，使其本体在复杂地形中始终保持水平姿态。“安布勒”的质量为3180千克，高4.16米，可爬越最高1.9米的台阶，跨越最宽1.5米的壕沟，爬上最大30°的斜坡。由于“安布勒”的体积和质量均较大，最终未被行星探测计划所采用。

图6-37采用步行—雪橇式系统爬行的行星探测车“样车м号”

图6-38日本空间和宇航科学研究所研制的子母车：上图是母车，下图是子车

其他形式的探测车

针对某些行星的微重力特性，世界各国相继开发了一系列特殊移动形式的行星探测车。图6-37所示的“样车м号”（Пропм）是苏联“火星3号”和“火星6号”计划的一部分，该车质量为4.2千克，用步行—雪橇式系统爬行。苏联的“火卫一2号”飞船携带的跳跃器（hopper）是20世纪80年代末开发的，该车通过弹性装置进行跳跃式前进，适合在低重力环境下运行。

此外，日本的空间和宇航科学研究所研制了一种可在月球或行星表面长距离行驶并进行科学探测的子母车，如图6-38所示。母车在较平坦的地域行驶，子车在较复杂的地域行进。当遇到凹凸不平的地域和悬崖边时，子车就与母车分离，通过子母车合作来完成复杂地域的移动和科学探测，因而具有较强的地形适应能力。

目前瑞士正在设计一种球状火星探测装置，这种装置可在火星表面借助风力自由滚动。在温度较高的白天，将呈平面形状，以便内部的太阳能传感器研究火星地表。夜晚，它又自动恢复原有形状，在火星表面自由滚动，随时测量火星上的风力，勘测其表面地形，以选择合适的太空探测器着陆点。

月球软着陆探测是轨道探测的深化，又是取样返回探测的前奏，起着承前启后的重要作用。月球软着陆探测的实现，是航天技术的一次跨越。