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为完成月球表面的探测任务，月球车是不可缺少的探测工具。目前，国内外各科研院所设计的月球车种类很多，大有百家争鸣之势，但都是原理样车，还不能真正上月球。自2004年我国正式启动“嫦娥工程”以来，创新研制性能优良的月球车就显得尤为迫切。如何利用机构理论、力学分析、优化方法和仿真实验等手段来进一步改善月球车的机动性能，使之满足复杂月壤环境下的探测任务需求，是摆在广大专家和学者面前急需解决的问题。
论文基于动物肢体运动的不对称性原理，提出一种可以产生步行运动效果的二级半转机构，在此基础上，研制出一种新型的基于二级半转机构步行运动原理的轮腿式月球车。论文以该轮腿式月球车移动机构为研究对象，从机构设计、机构运动学分析、越障性能研究、机构参数优化、移动性能仿真分析、模型样机研制与场地试验等角度开展相关关键技术研究工作，其主要研究内容和初步成果如下：
(1)基于半转机构模拟动物肢体运动的不对称性原理，提出一种可以产生步行运动效果的二级半转机构。通过分析二级半转机构的内在运动特性，探寻机构中各转动关节的运动耦合关系。基于二级半转机构的步行运动原理，提出了月球车轮腿机构的总体机构构成方案，并采用二级行星轮系传动来实现二级半转机构的步行运动特性。在此基础上，进行轮腿机构运动干涉分析，推导出了轮腿机构不发生干涉且满足步行运动要求的条件。在COSMOS Motion仿真环境下，对该轮腿机构进行了步行运动仿真，获得了机构中各关节的运动轨迹曲线，并分析了该轮腿机构的上下起伏度。仿真结果表明，二级半转轮腿机构的上下起伏度比一级半转轮腿机构的上下起伏度要小得多。
(2)提出了一种基于构型组合的轮腿式月球车构型设计方法，以及同构组合和异构组合两种设计模式。以基于二级半转机构步行运动原理的轮腿式月球车为研究对象，开展了月球车移动机构构型设计研究。将轮腿式月球车移动机构视为由轮腿、悬架和车体3类子构型构成的多体系统，通过对其移动机构的子构型分析，提出了4种轮腿子构型、4种悬架子构型和5种车体子构型。以四轮腿和六轮腿月球车为例，基于同构和异构组合设计模式，共得到122种四轮腿月球车移动机构构型组合设计方案和84种六轮腿月球车移动机构构型组合设计方案。这些构型组合设计方案对轮腿式月球车移动机构的总体方案设计具有重要的参考价值。
(3)基于上述轮腿式月球车移动机构可选构型组合设计方案，综合考虑月球车机构的简单实用性和良好的机动性能，确定了基于二级半转机构步行运动原理的轮腿式月球车移动机构的总体设计方案，其移动机构由4个结构相同的二级半转轮腿机构、车体支架以及转向支架三部分构成。利用坐标变换方法，建立了轮腿机构坐标变换模型，进而推导了月球车轮腿机构各跨步杆端点相对车体中心的正向运动学模型，为后续的越障分析提供理论数据。基于闭链坐标变换方法，进一步推导了月球车车体中心在月面参考坐标系下的位姿变换矩阵表达式，为月球车运动控制提供参考。最后，以月球车在平地上直线行走为例，基于虚拟样机技术对其进行运动学仿真分析，获得了移动机构各关节的运动轨迹曲线。并分析了其车身起伏度大小。仿真结果表明，基于二级半转机构的轮腿式月球车的车身起伏度较小，可以平滑地完成跨步动作。
(4)在不考虑月壤特性的情况下，分析了该轮腿式月球车在硬地面环境下的越障能力，提出了一种新的越障能力评价指标。分析了月球车在典型路况下的理论极限越障能力，包括直接越障、垂直越障和斜坡越障。针对月球车在自由路面环境下的越障问题，提出将轮腿与路面之间的摩擦力解空间的可行域面积大小作为越障能力的评价指标，若摩擦力解空间的可行域面积越大，则轮腿的越障能力越强。在此基础上，采用静力学方法研究了月球车在自由路面环境下的越障能力，在考虑摩擦力约束条件下，建立了月球车越障的力学模型，给出了在约束条件下轮腿所受摩擦力的解空间可行域的仿真程序设计流程图，并对两前轮腿同时越障、右前轮腿单独越障和右后轮腿单独越障情况进行了仿真分析。此部分研究为月球车在任意路面的越障能力提供了一种新的评价指标和静力学研究方法。
(5)考虑月壤力学特性，借鉴已有车辆地面力学理论和相关土壤模型，在不考虑月球车轮腿足部构型的情况下，建立了基于刚性轮腿假设的轮腿与月壤的相互作用模型。基于此模型，分析了月球车轮腿下陷量与作用于轮腿上的载荷之间的关系以及轮腿驱动力与下陷量之间的关系。在此基础上，建立了月球车在软月面环境下越障行走的整车力学模型。考虑到轮腿下陷问题，月球车的机构运动学方程和力学方程是相互耦合的，通过对轮腿下陷量的变化幅度进行迭代修正的方法，结合机构运动学和硬地面环境下的越障能力分析流程，对月球车在软月面环境下的单轮腿越障和双轮腿越障性能进行了研究。最后，在考虑月球车轮腿足部结构的情况下，建立了轮腿足瓣与月壤之间的应力分布模型，并对模型进行了合理简化。在设定月球车轮腿足部参数及月壤特性参数的基础上，对轮腿足瓣与月壤之间的应力分布模型进行了仿真分析。有关月球车轮腿与月壤相互作用模型的研究成果，将为月球车模型样机的研制提供理论分析方法和依据。
(6)以月球车的轮腿机构为优化设计研究对象，以轮腿机构体积最小、质量最轻为总目标函数，建立了车身起伏度、垂直越障能力、转向能力和抗干涉能力的轮腿机构设计约束函数。运用模糊优化的理论与方法对月球车轮腿机构参数进行模糊优化设计，要求轮腿机构中的行星轮系参数在满足齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度、几何边界约束条件以及越障性能的前提下，使月球车具有更紧凑的轮腿结构，为月球车模型样机设计提供参考。在此基础上，考虑月球车的整车抗侧倾能力和各轮腿运动的统一协调性，在满足边界约束、运动协调性约束和干涉约束的前提下，对月球车整车机构参数进行了优化设计，以保证月球车具有更好的越障行走能力。
(7)分析月面地形特点及其对月球车移动性能提出的要求，在此基础上拟定后续移动性能仿真分析的各种典型路况。忽略月球车机构内部细节，利用三维软件对二级半转轮腿式月球车进行了虚拟样机建模。在设定月球车轮腿与路面之间的3D碰撞属性的前提下，针对月球车在平地行走、平地转向、垂直越障、斜坡越障、单侧越障和壕沟侧向越障等典型路况下的各种移动性能，进行了ADAMS虚拟样机仿真分析，给出了车体位移、速度和加速度曲线，车体位姿角度变化曲线以及轮腿跨步杆和路面的接触力曲线，并对它们进行了结果分析。上述移动性能仿真分析结果为月球车模型样机设计与试验研究提供了数据参考。
(8)对月球车模型样机的机械子系统进行了设计，并介绍了其控制子系统的硬件构成，在此基础上成功研制出了基于二级半转机构的轮腿式月球车模型样机。最后，对月球车模型样机进行了一系列室内和室外场地试验研究，试验结果表明：基于二级半转机构的轮腿式月球车具好较强的路面适应能力和良好的综合机动性能，其主要移动性能指标为：车身起伏度约为37mm，垂直越障高度300mm，爬坡角度25°，转向角度360°，基本满足探月需求。