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星球移动系统及其转移机构
其他
走近科研团队系列报道（6）：哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制技术研究团队
团队概况
近年来，我国在载人航天、探月工程、高分辨率对地观测、卫星通信与导航等领域取得了令世界瞩目的成就，现代宇航空间机构研究为该领域的发展提供了重要的理论与技术支撑。1999年，哈尔滨工业大学邓宗全教授在国内率先开辟了宇航空间机构及控制这一学术方向，2004年成立了哈工大宇航空间机构及控制研究中心，2007年成为首批国防重点学科实验室。实验室的定位是以国家重大航天需求为牵引，开展宇航空间机构领域基础性、前沿性、战略性研究，突破一批关键技术，建成学术创新与人才培养基地。
主要研究方向：
1.星球探测移动机器人；
2.大型空间折展机构；
3.星球采样技术；
4.宇航空间机构共性基础理论与技术。
目前该研究团队拥有专职研究人员18人，其中教授9人、副教授4人，国防973首席科学家1人、国家万人计划领军人才2人、教育部新世纪人才2人。具有海外留学经历者13人，聘请海外兼职教授6人。已成为我国宇航空间机构领域的重要科研团队。
团队负责人简介
邓宗全，哈尔滨工业大学教授、博士生导师，国家教学名师，宇航空间机构及控制技术国防重点学科实验室主任，国防“973计划”首席科学家。任国务院学位委员会机械工程学科评议组成员、“863计划”先进制造技术领域主题专家组专家、中国宇航学会深空探测技术专业委员会副主任委员、黑龙江省机械工程学会理事长等职。主持完成多项国家级重点研究课题和型号研制任务，主持研制了多种月球车/火星车移动系统、月球车/火星车转移机构、大型空间折展机构、月面采样机构等。研究成果应用于“嫦娥三号”、“嫦娥五号”、“试验七号”卫星、“遨龙一号”飞行器及国防装备等任务中。作为第一完成人获国家技术发明二等奖2项、国家科技进步三等奖1项，省部级奖8项。著书2部，发表SCI/EI论文98/465篇，获国家授权发明专利81项。
标志性科研成果
本研究团队拥有完备的科研条件，已建成国际先进的宇航空间机构研发、测试与试验基地。近年来承担国防科技重大专项2项、国防“973计划”1项、国家“973计划”课题2项、国家“863计划”25项、科技部国际合作项目2项、国防预研10项、国家自然科学基金重点及面上项目26项、载人航天与探月工程等国家重大专项5项。近5年科研经费到款达2.3亿元，年均4600万元。出版《月球车移动系统设计》和《空间折展机构设计》学术专著2部。
近五年科研经费到款
团队获得的主要科技奖励
建立了月球车移动系统设计理论，设计了一种独具特色的月球车转移机构，提出了月球车整车低重力运动模拟测试方法。
月球车移动系统受月面极端环境和质量、能量、尺度等苛刻条件约束，需解决越障和防自陷问题。提出了以自适应地形、多轮独立驱动为特征要素的月球车悬架构型综合方法，构建了悬架构型图谱库；发明了均化车轮负载、自调车体位姿的分离式差动机构，建立了车轮及轮刺的构型设计方法和轮地相互作用的滑转沉陷力学模型，拓展了月面轮地作用力学研究领域。提出了“车轮等滑转率”能量优化调控及路径跟踪控制策略，解决了月球车驱动越障、防侧向滑移和滑转自陷等运动适应性技术难题。研制了多种不同悬架构型的月球车移动系统样机，与中国航天科技集团等科研院所密切合作，全程参与了“玉兔号”月球车移动系统型号研制任务。
“玉兔号”原型车
八轮摇臂式月球车
轮步式月球车
月球车从着陆器顶端平稳转移到月面是开展巡视探测的第一步，国外所采用的斜梯式转移方法无法满足“嫦娥三号”着陆器尺度约束。本科研团队创新设计出平摆联动式杆-索-轮变自由度转移机构，具有转移落差大、月貌适应性强等技术优势，解决了“玉兔”号可靠转移至月面难题，形成了独特的月球车转移技术。依据我国火星探测工程需求，研制了火星车转移机构工程样机。
为解决月球车地面模拟试验三维重力补偿技术难题，发明了单吊索过质心、分布式配重、宏-微多级拉力补偿的车轮压力与低重力场作用等效的模拟测试方法，研制了低重力模拟与性能测试装备，在国际上首次实现了单吊索大范围月球车整车1/6g重力模拟测试，为“玉兔”号月球车地面试验与测试提供了重要装备。
月球车转移机构及转移试验
月球车重力补偿装置
02
空间大型折展机构及锁解技术
随着航天器结构大型化，太阳帆板、天线等都需要具有折展功能。提出了复杂多环路、过约束空间折展机构的构型创新设计方法，构建出空间折展机构单元构型库，形成了空间折展机构的一维、二维和三维构型创新设计理论。攻克了多螺旋导引、交替消旋、球铰限位和可重复刚化单元的空间伸展臂技术，与空间技术研究院合作研制出我国首个60米大型空间伸展臂。研制出模块化平面天线折展机构，可实现平面天线的大型化，收拢高度仅为著名的加拿大Radarset折展天线的1/2。研制出抛物面及抛物柱面天线折展机构，实现了天线机构的轻量化设计。该成果应用于新一代对地观测与遥感天线的展开与支撑。
大型伸展臂机构
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大型伸展臂机构演示视频
模块化平面天线折展机构样机
研制了多种空间连接与分离机构，实现了高刚度、低冲击、可重复的连接与分离。提出全局动态响应最优的分布式锁固分离设计方法，解决了空间机械臂的锁紧与释放难题。研究成果应用于我国“试验七号”卫星首个空间操控机械臂、“玉兔”号月球车机械臂、“遨龙一号”机械臂的锁紧与释放任务中。研制了面接触式多点约束锁固分离机构，解决了高超声速导弹整流罩可靠锁固与低扰动抛分技术难题，该技术被某重点型号武器定型应用。
月球车机械臂锁紧
空间折展与锁解机构技术成果被评为2014年度中国机械工程领域十大重要科技进展。
03
地外天体采样操控作业系统
面向月球、火星、小行星等地外天体的采样操控作业背景需求，开展了大量的基础性、前瞻性研究工作。邓宗全教授担任月面采样分系统论证组组长，主持制定了“嫦娥五号”月面采样分系统方案，该方案在国际上首次实现“钻取/表取独立、样品集装和月轨样品转移”的功能。揭示了月面采样机具与月壤间相互作用机理，攻克了具有剖面层序信息保持功能的钻取采样关键技术，研制了月面采样操控作业地面模拟与测试装备，提出了地外天体轻小型化/低功耗原位探测方法。相比于美国、俄罗斯的月面采样技术，具有取芯率高、层理信息保持性好等优势。研究成果已用于我国探月三期“嫦娥五号”月面采样型号产品，并可拓展应用于火星和小行星等地外天体的采样探测任务。
月面钻取/表取采样方案
钻具与月壤相互作用仿真模型
月壤钻取采样钻具
04
重载足式移动机器人
足式移动装备具有行走机构非连续支撑、机体质心全方位移动、地形适应能力强等优点，是未来野外复杂环境移动系统的发展方向。研究团队面向星球探测、军事应用、极限作业等需求，针对重载足式装备的高承载、高稳定、高能效行走所提出的挑战性问题，开展系统附着移动机理、能量与运动调控机制两个科学问题研究，研制出具有自主知识产权、尺度和负载能力国际上最大、机电液控耦合的六足式山地移动平台样机，完成爬坡、越障、过沟等复杂环境试验。
05
核电救灾水下作业机器人
面向国家核电安全救急装备的背景需求，研制出核电站水池用水下焊接机器人原理样机。该机器人集成多自由度焊接装置，稳定附着定位于池底或侧壁裂缝处，实现裂缝跟踪与焊接作业。
水下移动作业机器人
机器人水下焊接作业
06
航天器产品制造装备研制
研究团队开发出航天器用铝蜂窝夹层板埋件涂胶机器人、胶膜热破机、蜂窝芯清洗设备等航天器产品制造装备。涂胶机器人在视觉系统配合下，能精确完成涂胶作业，解决了手工涂胶量不可控、容易污染螺纹孔和安装面的难题；研制出的胶膜热破机解决了手工涂覆质量不稳定问题，单板生产周期由2天缩短到1小时，大大提高了蜂窝结构板产品的生产效率。
胶膜热破机
铝蜂窝芯清洗设备
结束语
浩瀚宇宙、探索不止。随着航天事业的不断发展，宇航空间机构必将在未来的深空探测、在轨服务、星球基地建设等航天工程领域发挥巨大的作用，其理论研究引领机构学创新发展，相关技术在航天工程领域具有挑战性。哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制技术研究团队将不断创新，谱写宇航空间机构新篇章。
扩展阅读
走近科研团队系列报道（5）：北航与学报共话情谊数十载，共谋发展创未来
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