輪爪式探測車Rabbit的運動性能分析

岳榮剛

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094)

宋凌珺

(北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京100191)

王少萍

(北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京100191)

隨著空間科學技術(shù)的發(fā)展，許多國家推出了行星探測計劃.行星表面環(huán)境惡劣，且充滿了不確定性，采用行星探測車代替人類完成探測任務(wù)是安全可行的.各國研究人員研制了多種探測車，如履帶式、腿式和輪式等等［1］.輪式探測車運動平穩(wěn)，帶載能力強，是當前探測車的主流［2］.為了使探測車適應(yīng)復(fù)雜地形，研究人員將注意力集中在探測車整體設(shè)計上，對車輪的研究相對較少.目前研制的探測車車輪主要有以下5種形式.

1)傳統(tǒng)圓形車輪:外形是傳統(tǒng)的圓形，周向均布橫向或斜向條紋，運動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向靈活，但難以翻越高度超過車輪半徑的臺階.美國噴氣推進實驗室(JPL)開發(fā)的火星探測車 Sojourner［3-4］，F(xiàn)IDO［5］，Spirit［6］，以及日本的 Micro5 火星車［7］均使用了這種車輪.

2)彈片式車輪:這種車輪也是圓形的，不同的是它的行走機構(gòu)為周向均勻分布的薄彈片.該車輪與第1種車輪相比增加了一定的緩沖功能，能翻越高度略超過車輪半徑的臺階，其代表為日本東芝公司的火星探測車車輪［8］.

3)腿式車輪:綜合了腿與輪的優(yōu)點，但需要增加驅(qū)動腿運動的動力，且控制比較復(fù)雜，其代表有Case Western Reserve University的Whegs樣機系 列［9］、RHex 機器人［10］、UPenn University 的Sandbot［11］，泰國［12］和歐洲［13］也有類似設(shè)計.

4)膨脹輪:充氣后是一種圓形輪，其直徑相當大，可使探測車在極端崎嶇的地形行走，充氣胎可兼做緩沖器，但需要特殊充氣源，如卡內(nèi)基梅隆大學機器人研究所的膨脹輪［14］.

5)行星輪式車輪:每個車輪由3個小行星輪構(gòu)成，在平坦地面運動時，2個小行星輪觸地，遇到較大的障礙或臺階時，3個小行星輪繞其公共中心旋轉(zhuǎn)以越過障礙或臺階，缺點是轉(zhuǎn)向困難，代表為哈爾濱工業(yè)大學的行星輪式車輪［15-16］.

6)變直徑車輪:該車輪可在電機驅(qū)動下變化車輪直徑，提高通過能力，但車輪在最大直徑下工作時多邊形效應(yīng)明顯，影響探測車的運動穩(wěn)定性，代表是北京航空航天大學的變直徑車輪［17］.

7)跨步輪:前蘇聯(lián)研制，利用液壓缸實現(xiàn)輪子結(jié)構(gòu)的拓撲變化，能提高探測車的通過性能，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在硬路面上行駛的平順性差［18］.

安裝以上車輪的探測車要么轉(zhuǎn)向困難，要么越障能力有限，甚至實現(xiàn)起來較困難.為克服這些缺點，本文設(shè)計了輪爪式車輪和裝有該車輪的探測車，其運動平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向靈活，越障能力強.

1 輪爪式車輪的原理

本文輪爪式車輪的設(shè)計靈感源自棘輪機構(gòu)，其原理如圖1所示.為保證探測車運動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)向靈活，車輪基體仍采用傳統(tǒng)的圓形結(jié)構(gòu).為提高車輪的越障能力，沿其周向均勻安裝6套輪爪機構(gòu)，每套輪爪機構(gòu)由輪爪、輪爪軸、限位軸和拉力彈簧構(gòu)成.每個輪爪均可繞輪爪軸擺動，當其不與路面接觸時，輪爪在拉力彈簧和限位軸的共同作用下呈張開狀態(tài);當其與路面接觸后，輪爪會在探測車自身重力作用下向車輪基體內(nèi)擺動，這樣減小了車輪的六邊形效應(yīng)帶來的顛簸現(xiàn)象.

文獻［19］對輪爪式車輪進行了靜力學分析，得出了該車輪平穩(wěn)前進的條件，以及設(shè)計該車輪時確定各個參數(shù)的方法，并用ADAMS軟件進行了運動學仿真.本文將基于試驗樣機進一步分析輪爪式車輪的運動性能.為方便下文敘述，首先定義車輪的正反轉(zhuǎn).以圖1為例，定義車輪順時針方向旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，逆時針方向旋轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn).

圖1 輪爪式車輪原理圖

2 Rabbit探測車樣機實驗分析

為測試輪爪式車輪的實際性能，本文設(shè)計了一臺4輪探測車樣機Rabbit進行試驗(圖2所示)，質(zhì)量約為 10.5 kg，尺寸為 57 cm×43 cm×31 cm，采用4輪搖桿-差速器結(jié)構(gòu)，車身通過差速器安裝到懸掛軸上，無減震裝置.車體內(nèi)裝有加速度傳感器和傾角傳感器.Rabbit探測車的控制系統(tǒng)采用上-下位機結(jié)構(gòu)的分布式控制.用一臺IBM PC作上位機，下位機主要由控制模塊和驅(qū)動模塊組成，上-下位機之間通過RS-232串口進行通訊.上位機提供人機交互界面，操作者可通過其對系統(tǒng)進行設(shè)置和控制，對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并獲得相關(guān)數(shù)據(jù).控制模塊接收上位機指令，對其解算后產(chǎn)生控制信號送至驅(qū)動模塊，并負責采集和處理各種傳感器信息.驅(qū)動模塊根據(jù)控制模塊輸出的信號，驅(qū)動相應(yīng)電機.

圖2 新型輪爪式移動探測車樣機Rabbit

所有實驗數(shù)據(jù)均在最大車輪轉(zhuǎn)速nmax=24.4 r/min，即前進速度Vmax=15.3 cm/s的情況下測得.本文分別在柏油路面、沙土路面、斜坡路面、臺階路面和月球模擬土壤等不同環(huán)境中進行了測試，下面根據(jù)測試數(shù)據(jù)討論車輪的各項性能.

2.1 Rabbit運動平穩(wěn)性分析

輪爪的存在可能使Rabbit在平坦路面前進(車輪正轉(zhuǎn))時產(chǎn)生顛簸.為測試車輪的運動平穩(wěn)性，在柏油路面進行了實驗(圖2).圖3給出了Rabbit在柏油路面前進時車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍為-0.39g～+0.46g;圖4給出了Rabbit在柏油路面后退(車輪反轉(zhuǎn))時車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍為-0.13g～+0.16g;圖5給出了輪爪收起(相當于普通圓形輪)時車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍為-0.13g～+0.13g.

圖3 Rabbit在柏油路面前進時豎直方向加速度曲線

圖4 Rabbit在柏油路面后退時豎直方向加速度曲線

圖5 Rabbit收起輪爪在柏油路面運動時豎直方向加速度曲線

對比圖3與圖4，在柏油路面行走時，車輪反轉(zhuǎn)行走比正轉(zhuǎn)行走更平穩(wěn).因為車輪反轉(zhuǎn)時，輪爪可以收進車輪基體內(nèi)，越障輪相當于圓形車輪.對比圖4和圖5，車輪反轉(zhuǎn)時近似于普通圓形車輪，顛簸比較輕微;車輪正轉(zhuǎn)時，輪爪收進車輪基體內(nèi)時會產(chǎn)生一定的“爬行”現(xiàn)象，6個輪爪會導致六邊形效應(yīng)，產(chǎn)生顛簸.所以在平坦硬路面運動時，探測車應(yīng)該用后退的方式行走.

2.2 Rabbit越障能力分析

本文在干沙土路面、臺階路面、斜坡路面和月球模擬土壤中測試分析了Rabbit的越障能力.

2.2.1 干沙土路面越障能力分析

在干沙土路面測試了Rabbit在多障礙路面的運動性能(圖6).圖7為Rabbit在沙土路面前進時車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍為-0.13g～+0.13g;圖8為Rabbit在沙土路面后退時車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍為-0.10g～+0.10g;圖9為輪爪收起時車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍同圖8.

圖6 Rabbit在沙土路面測試

圖7 Rabbit在干沙土路面前進時豎直方向加速度曲線

圖8 Rabbit在干沙土路面后退時豎直方向加速度曲線

圖9 Rabbit收起輪爪在干沙土路面運動時豎直方向加速度曲線

對比圖7和圖8，在干沙土路面行走時，Rabbit后退比前進稍顯平穩(wěn).因為車輪前進時，輪爪插入沙土內(nèi)，減小了六邊形效應(yīng)和車身震動，同時提高了抓地能力.所以當探測車在障礙較多的干沙土路面運動時，應(yīng)該用前進的方式行走，以提高越障能力.圖8與圖9的對比則表明:在干沙土路面行走時，車輪反轉(zhuǎn)行走的效果與普通圓形車輪一致.當Rabbit以前進方式在多障礙路面行走時，最大可以越過13 cm高的障礙.

2.2.2 臺階路面越障能力分析

Rabbit在臺階路面運動需用前進的方式行走.此時輪爪“抓住”前面的臺階，使探測車翻越(圖10).本文對Rabbit進行了不同高度的臺階測試，每個臺階重復(fù)測試20次，結(jié)果如表1，表明輪爪式車輪可越過低于8.2 cm(車輪半徑的1.4倍)的臺階.理論分析表明:該車輪可越過的最高臺階為9cm(車輪半徑的1.5倍).圖10為Rabbit翻越8.2 cm臺階過程的截圖.作為比較，當Rabbit以后退方式行走時，能翻越4.5 cm高的臺階.

圖10 Rabbit翻越臺階視頻截圖

表1 不同高度臺階的翻越測試結(jié)果

2.2.3 斜坡路面越障能力分析

為測試Rabbit在斜坡路面的運動性能，在沙土斜坡上進行了實驗(圖11).圖12給出了Rabbit以前進方式爬坡時車身仰角的變化曲線，可見最大爬坡角度超過了40°;Rabbit以后退方式(輪爪作用失效)走相同路徑時，爬到一定位置便在原地打轉(zhuǎn)，圖13為Rabbit后退爬坡時的車身仰角變化曲線，最大爬坡角度小于31°.對比圖12和圖13，輪爪使Rabbit的最大爬坡角度提高了9°以上，原因是輪爪在運動過程中，插入沙土內(nèi)，提高了車輪的抓地能力.所以在沙土斜坡路面運動時，Rabbit探測車也應(yīng)該用前進的方式行走.

圖11 Rabbit以前進方式爬越沙土斜坡

圖12 Rabbit以前進方式爬越沙土斜坡時車身仰角曲線

圖13 Rabbit以后退方式爬越沙土斜坡時車身仰角曲線

2.3 月球模擬土壤越障能力分析

為進一步測試Rabbit的性能，與北京航空航天大學交通科學與工程學院進行了合作實驗，測試了Rabbit在月球模擬土壤中的性能.月球模擬土壤的材料為火山灰，孔隙比(土中孔隙體積與土粒體積之比)為 0.8到 1.0，密度約為2.77 g/cm3.

本文分別測試了Rabbit在月球模擬土壤組成的復(fù)雜地形和多障礙環(huán)境中的運動性能，如圖14和圖15所示.結(jié)果表明:在輪爪式車輪的幫助下，Rabbit運動自如，可以輕松越過與車輪尺寸相當?shù)幕鹕綆r石.

圖14 月球模擬土壤復(fù)雜地形測試

圖15 月球模擬土壤多障礙地形測試

本文還測試了Rabbit在月球模擬土壤中的拖拽能力，測試結(jié)果表明:Rabbit前進模式下的拖拽力為26.5N，后退模式下的拖拽力為25.1N.在月球模擬土壤中運動時，Rabbit也應(yīng)該用前進方式行走.

3 結(jié)論

本文設(shè)計了新型輪爪式探測車Rabbit，介紹了其車輪的原理和Rabbit探測車樣機的整體設(shè)計.分別在柏油路面、干沙土路面、臺階路面、斜坡路面和月球模擬土壤環(huán)境中分析了其越障能力.測試結(jié)果表明:輪爪式探測車Rabbit具有較強的地形適應(yīng)能力和越障能力，可以越過高度為車輪半徑1.4倍的臺階，并能爬過角度為40°的斜坡.在不同的地形環(huán)境中，Rabbit應(yīng)采取不同的行走方式:在平坦硬路面運動時，用后退的方式行走;在多障礙路面、斜坡路面、臺階路面或月球模擬土壤運動時，用前進的方式行走.

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