深空探测是人类开发生存资源和拓展生存空间的基础工作,对构建持续健康的人类生存环境具有重大意义。特别是面对人类总数的爆发式增长与其他资源无法持续增加的矛盾,深空探测越来越具有现实意义。行星探测作为深空探测的重要组成部分,是对外星资源勘探、生命寻访以及进行宇宙的起源与演变研究的重要途径。行星探测车作为行星探测任务的执行机构和探测仪器的载体,是保障探测任务高效、可靠完成的基础。月面巡视器作为最早发展起来的一类行星探测车,为人类了解和认识月球提供了大量的科学数据。通过优化体积和重量来降低运载成本,使得月面巡视器的集成度越来越高。然而,在可靠性和成本之间寻求平衡点是一个艰巨的任务。随着传感、人工智能技术的快速进步,月面巡视器正朝着微小型的集群智能系统方向发展:通过多个功能简单的微小型月面巡视器的协同工作,以完成复杂的月面探测任务,从而改变现有深空探测的单兵作战方式,既可以提高单位时间覆盖面积的效率,又可以降低因单一巡视器失灵所带来的失败概率。本课题以精简机构、提高可靠度为主要目标,将压电激励和摩擦驱动原理应用于微小型月面巡视器移动系统。考虑到1)现有轮式结构所具有的高机动性能、高运行性能以及高效率的优势和运动副及其润滑剂对月面环境适应性差的缺点和2)履带机构所具有的接触面积大、压力均衡、对粗糙表面的适应性强以及越障能力强的优点和轮系复杂、重量大的短板,提出了构建一体化压电驱动车架结构,创建了振动和摩擦作用直接驱动车轮或者履带的新原理。研究了影响驱动效率和稳定性的因素及其作用规律,建立了设计理论和方法,构建无运动副、无需润滑剂、无电磁干扰、重量轻、结构紧凑的轮式移动系统和履带式移动系统,探索微小型月面巡视器移动系统的新结构、新方法。本论文的主要研究内容和成果如下:1.根据轮式和履带式行星探测车的发展现状和趋势,结合月面环境,提出了将集群智能技术应用于微小型行星探测车的新思路;并分析了基于压电驱动原理构建的贴片式和夹心式压电作动器的特点和研究现状,分析了现有动力学建模理论与结构优化方法。2.在经典传递矩阵法的基础上,发展并提出了描述压电作动器的机电耦合动力学行为的建模新方法。建立了用于描述d₃₁工作模式和d₃₃工作模式的压电复合结构的纯纵振、纯弯振以及纵弯复合振动模态下的机电耦合动力学特性的传递方程。以状态向量作为中间参量,并结合界面连接条件,可扩展至整个压电复合结构,完成复杂结构完整动力学行为的描述。3.提出了一种夹心式压电作动器,构建了压电驱动的三轮式移动系统。利用压电元件的d₃₃工作模式设计的压电作动器具有机电耦合率高、输出性能优异等特点,通过多模态耦合的方式使得夹心式压电作动器的双驱动足同步作动,实现了经摩擦作用直接驱动两个主动车轮的工作方式。通过建立多模态耦合夹心式压电作动器的动力学模型,实现了对复杂三维结构的动力学特性的描述。实验结果表明:三轮式移动系统的最大平均运行速度达到99.3mm/s,最大牵引力为2.6N。4.提出了贴片式框架结构的压电作动器,构建了贴片式压电驱动履带式移动系统。结合履带机构具有的接触面积大、压力均衡、对粗糙表面的适应性强以及越障能力强等优点,基于压电元件的d₃₁工作模式,设计了压电作动器。该作动器具有结构设计灵活多变、易于安装、易实现小型化等特点。利用两相具有相位差的电信号共同激励出设置在贴片式框架结构的压电作动器的四个圆环部分产生同向行进的面内弯曲行波,通过摩擦作用协同驱动履带,形成了履带式月面巡视器的压电驱动新原理。通过改变两相电信号的相位差,可实现整个履带式移动系统的双向运动。实验结果表明:贴片式履带式移动系统可实现57mm/s的运动速度。5.提出了夹心式压电作动器,构建了夹心式压电驱动履带式移动系统。利用压电元件的d₃₃工作模式输出功率较大的特性,两相面内弯振模态在夹心式压电作动器的两个驱动圆环上叠加形成同向行进的弯曲行波,经摩擦作用直接驱动履带。通过调节两相激励信号的相位差,可改变驱动圆环上耦合的行波的旋转方向,从而改变夹心式履带移动系统的运动方向。通过预紧力优化,夹心式履带移动系统的输出性能得到了大幅度提升。实验结果表明:夹心式履带移动系统的最大攀爬高度达到207.8mm,最大牵引力超过6N,并进行了月面模拟环境的初步试验。