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搖杆轉向架

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旅居者號漫遊車
運動中的底盤貌似保持水平狀態,實際上只是維持在兩條搖臂的傾斜平均值水平上。
好奇號的搖杆轉向架。

搖杆-轉向架(rocker-bogie)系統是1988年開發用於美國宇航局旅居者號火星探測漫遊者上的懸架裝置[1][2][3]。自那以來,它已成為美國宇航局最受歡迎的漫遊車設計[4],它先後被用於2003年火星探測漫遊者任務機械人勇氣號機遇號[5]、2012年火星科學實驗室任務漫遊車好奇號 [6]以及火星2020毅力號火星車上[7]

懸架「搖杆」部分為漫遊車兩側車身上更大鉸鏈機構的搖杆部分,這些搖杆通過差速器相互連接並與車輛底盤相連。相對於底盤,搖臂將以相反方向上下搖擺,以保持所有車輪同時觸地。底盤保持在兩具搖杆的平均俯仰角水平上。搖杆一端裝有驅動輪,另一端則與轉向架樞軸連接。

懸架的轉向架部分是指較小的鉸鏈機構,該連杆機構以中間的搖杆為樞軸,兩端各有一隻驅動輪。轉向架通常用作軍用坦克履帶中的負重輪,作為在地形上分配負荷的惰輪,並且在半掛式拖車中也很常用。坦克和半掛車現在都更偏好拖臂懸架。

在旅居者漫遊車上,前輪與轉向架相連,而在火星探測漫遊者和火星科學實驗室漫遊車上,前輪與搖杆相連。

設計

搖杆-轉向架採用非彈簧分體式設計,可使漫遊者翻越最大為車輪直徑兩倍的障礙物(如岩石),同時保持六輪觸地[8]。與所有懸架系統一樣,其傾斜穩定性受重心高度的限制。當負載側產生重壓下沉時,使用彈簧的系統更容易傾覆。基於質心位置,火星科學實驗室任務的好奇號漫遊車可在任何方向承受至少45度的傾斜而不會發生傾覆,但自動傳感器限制漫遊車傾斜角超過30度[9]。該系統設計應用於大約厘米/秒(3.9英寸/秒)的低速下,以便在越過較大障礙物時將動態衝擊和對車輛的間接損害降至最低。

噴氣推進實驗室指出,與其他懸掛系統相比,這種搖杆轉向架系統將火星車主要的車身運動減少了一半。好奇號漫遊車六隻車輪中的每一隻都安裝有一台獨立的馬達[10]。兩隻前輪和兩隻後輪都有單獨的轉向電機,使車輛能夠原地轉向。每隻車輪上也有輪齒,為在軟沙地上行駛和翻越岩石提供了抓地力[11]。 以此種方式運作的機械人最大時速受到限制,以便儘可能多地消除使電機減速的動態影響,使每隻車輪都能單獨承載起整個車輛的大部分質量。

為翻越突起的地面障礙物,前輪被中間輪和後輪推向障礙物。然後,前輪轉動將車輛前部抬起並越過障礙物。接下來,後輪繼續將中間輪頂向障礙物,而前輪將中間輪拉到障礙物上,直到它被抬起並越過障礙物。最後,後輪被前兩隻車輪拉過障礙物。在每隻車輪翻越障礙物的過程中,車輛的前進速度會減慢或完全停止。但迄今為止,就這些車輛的行駛速度而言,這不是問題。

漫遊車未來的應用之一將是在地面作業期間協助太空人,成為一名有用的助手,漫遊車的移動速度必須至少達到人類行走的速度。現已提出的其他任務,如太陽同步月球極地探測車,則需要4–10公里/小時的更高速度。

參考文獻

  1. ^ US 4840394,Donald B. Bickler,「Articulated suspension system」,發表於1988-04-21,發行於1989-06-20,指定於NASA 
  2. ^ NASA Patent Abstracts Bibliography, Section 1. Abstracts (PDF). ARTICULATED SUSPENSION SYSTEM: 19. June 1990 [2022-05-20]. (原始內容 (PDF)存檔於2022-05-23). 
  3. ^ Bickler, Donald. Roving over Mars. Mechanical Engineering. April 1998: 74–77. (原始內容存檔於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. (原始內容 (PDF)存檔於2020-11-12). 
  5. ^ Rover Wheels. Mars Exploration Rovers: Mission. NASA. [29 March 2019]. (原始內容存檔於2019-08-06). 
  6. ^ Wheels and Legs. Mars Science Laboratory: Curiosity Rover. NASA. [29 March 2019]. (原始內容存檔於2019-03-29). 
  7. ^ Rover Wheels. Mars 2020 Mission. NASA. [29 March 2019]. (原始內容存檔於2019-06-29). 
  8. ^ https: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wiki1Rocker-bogie_mechanism_animation.gif頁面存檔備份,存於互聯網檔案館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]. (原始內容 (PDF)存檔於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]. (原始內容 (PDF)存檔於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]. (原始內容存檔於2022-06-04) (美國英語).