中文核心期刊

中国科技核心期刊

中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊

中国高校百佳科技期刊

中国宇航学会深空探测技术专业委员会会刊

高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

月面松软地质环境下足式机器人足–壤滑移性能研究

钟世英,岳茜茜,凌道盛,周浩,韩润奇,丛波日

钟世英, 岳茜茜, 凌道盛, 周浩, 韩润奇, 丛波日. 月面松软地质环境下足式机器人足–壤滑移性能研究[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220036
引用本文: 钟世英, 岳茜茜, 凌道盛, 周浩, 韩润奇, 丛波日. 月面松软地质环境下足式机器人足–壤滑移性能研究[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220036
ZHONG Shiying, YUE Qianqian, LING Daosheng, ZHOU Hao, HAN Runqi, CONG Bori. Research on Foot-Soil Slipping Performance of Footed Robot in Soft Geology on Lunar Surface[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220036
Citation: ZHONG Shiying, YUE Qianqian, LING Daosheng, ZHOU Hao, HAN Runqi, CONG Bori. Research on Foot-Soil Slipping Performance of Footed Robot in Soft Geology on Lunar Surface[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220036

月面松软地质环境下足式机器人足–壤滑移性能研究

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220036
基金项目:山东省自然科学基金资助项目(ZR202103070255)
详细信息
    作者简介:

    钟世英(1982− ),女,博士,副教授,主要研究方向:岩土工程防灾减灾。通讯地址:山东建筑大学土木工程学院(250101)电话:13256116551E-mail:zhongshiying@sdjzu.edu.cn

    凌道盛(1968− ),男,博士,教授,主要研究方向:土动力学、计算土力学等。本文通讯作者。通讯地址:浙江大学岩土工程研究所(310058)E-mail:dsling@zju.edu.cn

  • ● Three kinds of anti-skip patterns on the foot end of the foot robot were designed. ● The interaction model of multi-type pattern foot end and soft was established. ● Slipping force analysis on the foot-soil interface of footed robot. ● Equivalent anti-skip model based on pattern. ● Equivalent angle of friction and equivalent cohesion of soft soil at foot-soil interface under the influence of vertical load.
  • 中图分类号:TP242;TU43

Research on Foot-Soil Slipping Performance of Footed Robot in Soft Geology on Lunar Surface

  • 摘要:移动机器人作为月球探索的重要方式,足端力是步态控制的重要参量。为研究足端花纹设计对松散月壤中足-壤相互作用对足端抗滑移性能影响,分别对三角形、圆弧形和矩形3种足端花纹构型进行了防滑性能研究。通过数值仿真对不同花纹构型在相同竖向荷载下界面的抗滑移性能,通过等效原则得到了各花纹构型抗滑移参数。结果表明,足端花纹未完全刺入月壤前,相同竖向荷载作用下圆弧形花纹沉陷量最小,矩形花纹次之,三角形花纹沉陷量最大;同时,圆弧形花纹滑移量、应力峰值亦最小;足–壤接触面抗滑移模型下,相同沉陷量时矩形花纹等效抗剪强度最大其等效摩擦角33.44°、黏聚力2.58 kPa,圆弧形花纹最小其等效摩擦角30.16°、黏聚力2.48 kPa。
    Highlights
    ● Three kinds of anti-skip patterns on the foot end of the foot robot were designed. ● The interaction model of multi-type pattern foot end and soft was established. ● Slipping force analysis on the foot-soil interface of footed robot. ● Equivalent anti-skip model based on pattern. ● Equivalent angle of friction and equivalent cohesion of soft soil at foot-soil interface under the influence of vertical load.
  • 图 1四足机器人整体结构示意图

    注:1-机身;2-髋关节;3-大腿;4-膝关节;5-小腿;6-足端。

    Fig. 1Schematic diagram of overall structure of four-legged robot

    图 2足式机器人足端滑移过程示意图

    Fig. 2Schematic diagram of slip process of foot end of foot robot

    图 3足-壤相互作用模型

    Fig. 3Foot-soil interaction model

    图 4有限元模型示意图

    Fig. 4Schematic diagram of finite element model

    图 5节点编号

    Fig. 5Node number

    图 6不同花纹应力–滑移(τ-δ)曲线

    Fig. 6Stress-slip(τ-δ)curves of different patterns

    图 7不同花纹荷载-沉陷量(W-Z)曲线

    Fig. 7Load-sinking(W-Z)curves of different patterns

    图 8不同花纹在不同竖向荷载下的应力–滑移(τ-δ)曲线

    Fig. 8Stress-slip(τ-δ)curves of different patterns under different vertical loads

    图 9等效抗滑模型

    Fig. 9Equivalent anti-slip model

    图 10应力–荷载(τm-σ)关系曲线

    Fig. 10Stress-Load (τm-σ)relationship curve

    图 11各花纹足–壤接触面摩擦角分布

    Fig. 11Distribution of friction angle in foot-soil contact surface of each pattern

    图 12各花纹足–壤接触面黏聚力分布

    Fig. 12Cohesion distribution of foot-soil contact surface of each pattern

    表 1土壤参数

    Table 1Soil parameters

    参数类型 土壤参数
    杨氏模量/Mpa 48.8
    泊松比 0.3
    内摩擦角/(°) 42.97
    膨胀角/(°) 5
    黏聚力/ kpa 1.79
    压缩系数 0.19
    密度/(kg·m–3 1660
    下载: 导出CSV

    表 2仿真分析工况参数

    Table 2Simulation analysis of operating parameters

    花纹类型 荷载/ kPa 速度/(m·s–1
    三角形花纹 50 0.5
    三角形花纹 100 0.5
    三角形花纹 200 0.5
    圆弧形花纹 50 0.5
    圆弧形花纹 100 0.5
    圆弧形花纹 200 0.5
    矩形花纹 50 0.5
    矩形花纹 100 0.5
    矩形花纹 200 0.5
    下载: 导出CSV

    表 3摩擦角和黏聚力汇总表

    Table 3Friction angle and cohesion su mmary table

    等效值花纹类型 三角形花纹 圆弧形花纹 矩形花纹
    $\varphi$/(°) 32.85 30.16 33.44
    c/ kPa 2.49 2.48 2.58
    下载: 导出CSV
  • [1] 杜希萌. 我国探月工程四期和深空探测工程将全面拉开序幕[EB/OL]. (2019-01-15)[2022-12-14].https: //china.cnr.cn/yaowen/20190115/t20190115_524482310.shtml.
    [2] 甘晓. 中科院院士叶培建揭秘探月工程: 2020年后将在月球建立科考站[EB/OL]. (2018-10-23)[2022-12-14].https: //news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2018/10/340123.shtm?id=340123.
    [3] 杨建中,吴琼,于登云,等. 无人月球科考站构建与运行关键技术初探[J]. 深空探测学报(中英文),2020,7(2):111-117.

    YANG J Z,WU Q,YU D Y,et al. Preliminary study on key technologies for construction and operation of robotics lunar scientific base[J]. Journal of Deep Space Explortion,2020,7(2):111-117.
    [4] 张鹏跃. 载人月球车感知型变辐车轮的设计与分析[D]. 重庆: 重庆大学, 2018.

    ZHANG P Y. Design and analysis of perceptible variable-spoke wheel for manned lunar rover[D]. Chongqing: Chongqing University, 2018.
    [5] 汪永明,孙应秋,鲍传辉,等. 月球车足部构型参数对其驱动性能的影响研究[J]. 机械工程学报,2015,51(3):37-44.doi:10.3901/JME.2015.03.037

    WANG Y M,SUN Y Q,BAO C H,et al. Study on the foot configuration parameters of lunar rover and It’s influences on the driving performance[J]. Journal of Mechanical Engineering,2015,51(3):37-44.doi:10.3901/JME.2015.03.037
    [6] 陶建国,胡明,高海波,等. 月球车刚性车轮与土壤相互作用的力学模型与测试[J]. 空间工程学报,2008,28(4):340-344.

    TAO J G,HU M,GAO H B,et al. Modeling and measurement of rigid wheel-soil interacter for a lunar rover[J]. Chinese Journal of Space Science,2008,28(4):340-344.
    [7] 谷侃锋,王洪光,赵明扬,等. 滑转率对月球车车轮驱动力学特性的影响分析[J]. 计算机仿真,2008,25(6):25-29.doi:10.3969/j.issn.1006-9348.2008.06.008

    GU K f,WANG H G,ZHAO M y,et al. Influence of wheel slip on the dynamic characteristic of lunar rover wheels[J]. Computer Simulatton,2008,25(6):25-29.doi:10.3969/j.issn.1006-9348.2008.06.008
    [8] 王福吉,邹有阳,马建伟,等. 重载足式机器人足底花纹结构优化设计[J]. 一重技术,2018,1(06):42-46.doi:10.3969/j.issn.1673-3355.2018.06.011

    WANG F J,ZOU Y Y,MA J W,et al. Optimization design of sole pattern structure for heavy-duty legged robot[J]. CFHI Technology,2018,1(06):42-46.doi:10.3969/j.issn.1673-3355.2018.06.011
    [9] 李军. 重载机器人高适应性足部的设计与研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2016.

    LI J. The design and research of heavy-duty robot high adaptability foot[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2016.
    [10] 邹有阳. 六足机器人落足点规划与足底花纹设计[D]. 大连: 大连理工大学, 2019.

    ZOU Y Y. Landing point planning and foot pattern design of hexapod robot[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2019.
    [11] 贝旭颖,平雪良,高文研,等. 纵向打滑状态下轮式移动机器人轨迹跟踪控制[J]. 中国机械工程,2018,29(16):1958-1964.doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2018.16.011

    BEI X Y,PING X L,GAO W Y,et al. Trajectory tracking control of wheeled mobile robots under longitudinal slipping conditions[J]. China Mechanical Engineering,2018,29(16):1958-1964.doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2018.16.011
    [12] 杭建峰. 六足机器人行走打滑的研究[D]. 绵阳: 西南科技大学, 2018.

    HANG J F. Research on walking and slipping of the hexapod robot[D]. Mianyang: Southwest University of Science and Technology, 2018.
    [13] 龚成. 月球车的发展状况[J]. 装备机械,2007,1(4):62-65.

    GONG C. The development of the lunar rover[J]. The Magazine on Equipment Machinery,2007,1(4):62-65.
    [14] HIROSE S, YONEDA K, TSUKAGOSHI H. Quadruped walking and manipulating robot on a steep slope[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Albuquerque, NM, USA: IEEE, 1997.
    [15] 赵广生. 月球车轮壤作用关系的刚柔结合仿真研究[D]. 长春: 吉林大学, 2012.

    ZHAO G S. Rigid-flexible combined simulation research on the interaction relationship between wheel and soil of the lunar rover[D]. Changchun: Jilin University, 2012.
    [16] 凌道盛,蒋祝金,钟世英,等. 着陆器足垫冲击模拟月壤的数值分析[J]. 浙江大学学报,2013,47(07):1171-1177.

    LING D S,JIANG Z J,ZHONG S Y,et al. Numerical study on i Mpact of lunar lander footpad against simulant lunar soil[J]. Journal of Zhejiang University,2013,47(07):1171-1177.
    [17] 东南大学等合编. 土力学[M]. 第三版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2016.
    [18] 丁亮. 月/星球车轮地作用地面力学模型及其应用研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009.

    DING L. Wheel-soil interaction terramechanics for lunae/planetary exploration rovers: modeling and application[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009.
    [19] 吴晓君. 合成月壤与足垫相互作用模型试验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2011.

    WU X J. Model test study on the interaction between compound luner soil and the footpad[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2011.
    [20] 林呈祥,凌道盛,钟世英. 模拟月壤抗剪强度试验研究及离散元分析[J]. 岩土力学,2017,38(3):893-901.doi:10.16285/j.rsm.2017.03.035

    LIN C X,LING D S,ZHONG S Y. Experimental research and discrete element analysis of shear strength of lunar soil simulants[J]. Rock and Soil Mechanics,2017,38(3):893-901.doi:10.16285/j.rsm.2017.03.035
  • [1] 郭鹏, Vyacheslav VasilievichIVASHKIN, 郎安琪, 陈香贵, 崔祜涛.俄罗斯近地天体监测系统“NEBOSVOD”导航定轨性能分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220045
    [2] 石玉, 舒磊正, 张皓.与地共轨小行星附近测绘轨道的性能分析与评估. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220044
    [3] 孙凤, 霍晓文, 茅冒, 赵海宁, 徐方超, 张伟伟, 陈化智, 唐钧跃, 张晓友, 杨旭, 刘雅芳, 姜生元.双体振贯采样磁力驱动式月壤采样器设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210150
    [4] 姜生元, 张伟伟, 杨宇彬, 李红浪, 贺怀宇, 张熇, 黄江川, 邓宗全.动能侵彻式星壤物性原位触探技术研究进展. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20191106001
    [5] 孙淼, 张鸿宇, 迟润强, 庞宝君, 肖俊孝, 范锦彪, 钱成, 卢孜筱, 姜生元.侵彻式月壤探测地面模拟试验研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20210149
    [6] 张怡晨, 胡宇鹏, 王泽, 朱长春, 胡绍全, 李思忠.基于AMTEC的空间核反应堆电源热力学性能分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200045
    [7] 任天鹏, 路伟涛, 孔静, 谢剑锋, 韩松涛, 王美, 满海钧, 牛东文, 刘河山, 周之金.“嫦娥五号”深空干涉测量性能分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210055
    [8] 陈化智, 刘荣凯, 马超, 姜生元.基于颗粒单向流动效应的手持式月壤取心装置设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20171124001
    [9] 李贺, 王禹, 杜小振, 曾庆良.一种可跳跃的月面移动机器人系统设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20191011011
    [10] 林云成, 李立犇, 赵振家, 张荣荣, 金聪, 邹猛.着陆器足垫冲击月壤动态行为离散元仿真分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2020.20190313002
    [11] 马超, 刘飞, 曾婷, 赵曾, 庞勇, 樊明旭, 姜生元.无轴螺旋式模拟月壤主动填充装置研制. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.01.009
    [12] 詹亚锋, 解得准.BCH(63,56)性能分析及仿真. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.012
    [13] 徐照钱, 赵方方, 陈翠桥.模糊灰色聚类评估方法在导航滤波中的应用. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.04.0011
    [14] 康珅, 单家元.航天器分布式有限时间编队方法. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-777.2017.04.0013
    [15] 苏奕粼, 侯绪研, 曹盼, 薛萍萍, 唐天峰, 李龙, 陈涛, 姜生元.针对在轨维护的爬行机器人足粘附机理研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.03.015
    [16] 赖小明, 杜志豪, 王国峰, 王国欣, 莫桂冬.月壤取芯钻具热特性有限元分析. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2017.06.007
    [17] 闫晓鹏, 孙海滨, 郭雷.火星着陆器的大气进入段有限时间抗干扰制导律设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.01.010
    [18] 陈新民, 周天帅, 朱冬阁, 王建明.有限推力变轨的月球探测器发射轨道设计. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2016.03.009
    [19] 沈毅, 王冬, 姜生元, 刘杰, 张伟伟, 陈化智, 邓宗全.月壤剖面冲击贯入式探测方案研究. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.03.004
    [20] 彭超, 高扬.星间洛仑兹力编队飞行的平衡点及零速度曲面. 深空探测学报(中英文),doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2015.03.010
  • 加载中
计量
  • 文章访问数:69
  • 被引次数:0
出版历程
  • 收稿日期:2022-04-30
  • 修回日期:2022-07-11
  • 网络出版日期:2023-02-09

月面松软地质环境下足式机器人足–壤滑移性能研究

doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220036
    基金项目:山东省自然科学基金资助项目(ZR202103070255)
    作者简介:

    钟世英(1982− ),女,博士,副教授,主要研究方向:岩土工程防灾减灾。通讯地址:山东建筑大学土木工程学院(250101)电话:13256116551E-mail:zhongshiying@sdjzu.edu.cn

    凌道盛(1968− ),男,博士,教授,主要研究方向:土动力学、计算土力学等。本文通讯作者。通讯地址:浙江大学岩土工程研究所(310058)E-mail:dsling@zju.edu.cn

  • ● Three kinds of anti-skip patterns on the foot end of the foot robot were designed. ● The interaction model of multi-type pattern foot end and soft was established. ● Slipping force analysis on the foot-soil interface of footed robot. ● Equivalent anti-skip model based on pattern. ● Equivalent angle of friction and equivalent cohesion of soft soil at foot-soil interface under the influence of vertical load.
  • 中图分类号:TP242;TU43

摘要:移动机器人作为月球探索的重要方式,足端力是步态控制的重要参量。为研究足端花纹设计对松散月壤中足-壤相互作用对足端抗滑移性能影响,分别对三角形、圆弧形和矩形3种足端花纹构型进行了防滑性能研究。通过数值仿真对不同花纹构型在相同竖向荷载下界面的抗滑移性能,通过等效原则得到了各花纹构型抗滑移参数。结果表明,足端花纹未完全刺入月壤前,相同竖向荷载作用下圆弧形花纹沉陷量最小,矩形花纹次之,三角形花纹沉陷量最大;同时,圆弧形花纹滑移量、应力峰值亦最小;足–壤接触面抗滑移模型下,相同沉陷量时矩形花纹等效抗剪强度最大其等效摩擦角33.44°、黏聚力2.58 kPa,圆弧形花纹最小其等效摩擦角30.16°、黏聚力2.48 kPa。

注释:
1) ● Three kinds of anti-skip patterns on the foot end of the foot robot were designed. ● The interaction model of multi-type pattern foot end and soft was established. ● Slipping force analysis on the foot-soil interface of footed robot. ● Equivalent anti-skip model based on pattern. ● Equivalent angle of friction and equivalent cohesion of soft soil at foot-soil interface under the influence of vertical load.

English Abstract

钟世英, 岳茜茜, 凌道盛, 周浩, 韩润奇, 丛波日. 月面松软地质环境下足式机器人足–壤滑移性能研究[J]. 深空探测学报(中英文). doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220036
引用本文: 钟世英, 岳茜茜, 凌道盛, 周浩, 韩润奇, 丛波日. 月面松软地质环境下足式机器人足–壤滑移性能研究[J]. 深空探测学报(中英文).doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220036
ZHONG Shiying, YUE Qianqian, LING Daosheng, ZHOU Hao, HAN Runqi, CONG Bori. Research on Foot-Soil Slipping Performance of Footed Robot in Soft Geology on Lunar Surface[J]. Journal of Deep Space Exploration. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220036
Citation: ZHONG Shiying, YUE Qianqian, LING Daosheng, ZHOU Hao, HAN Runqi, CONG Bori. Research on Foot-Soil Slipping Performance of Footed Robot in Soft Geology on Lunar Surface[J].Journal of Deep Space Exploration.doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2022.20220036
参考文献 (20)

返回顶部

目录

    /

      返回文章
      返回
        Baidu
        map