可重構橡膠履帶變體輪設計及分析

康少華，黃 林，侍才洪，2，張學玲，趙應生

（1.軍事交通學院，天津 300161；2.軍事醫(yī)學科學院 衛(wèi)生裝備研究所，天津 300161；3.69325部隊，新疆 喀什 844900）

近年來，搭載不同裝置、設備，執(zhí)行運輸、偵查、救援搶險等不同任務的移動平臺被應用于各種地形復雜且難以預測的非結構化環(huán)境中，其核心組成部分—移動機構是決定該平臺應用性能的關鍵因素［1］.傳統(tǒng)的平臺移動機構主要有輪式和履帶式，其中輪式適用于平坦路面，行使速度快，機動性強，效率更高，但其越障性能差，在松軟、崎嶇的泥地、沙地不適用，容易陷入地面，導致車輛“擱淺”，對地面的依賴性太強.履帶式移動機構是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平［2］.在復雜道路，特別是沙灘、泥濘、冰雪地面條件下，履帶式移動機構的附著系數(shù)均明顯大于輪式移動機構的附著系數(shù)，因此在具有相同功率和重力的情況下，履帶式移動機構比輪式移動機構更能發(fā)揮較大的驅動力，地形適應能力強，越障性能好，但受自身體積、重量以及結構等參數(shù)的約束，其運動速度難以提高.

20世紀90年代初，為了兼顧輪式的高機動性與履帶式的高通過性，國內外研究機構開始研究輪履更換式、輪履變體式以及輪履組合式等多種采用輪履復合技術的移動機構，并取得了一定的成果［3］.其中美國研制的便攜式Viper偵查機器人采用Galileo公司研制的一種新型可重構底盤，又稱伽利略輪，通過內部結構實現(xiàn)輪履轉換，可以實現(xiàn)全天候、全地形快速機動，并且已經開始服役于美國軍方.國內在這方面的研究也取得了不小的成果，如東北林業(yè)大學研制的輪履復合移動底盤，江蘇八達重工研制的采用輪式和履帶式雙系統(tǒng)的國內首臺30t級救援機器人等，因其各自用途、使用環(huán)境等不同，其結構也具特色，但都在一定程度上綜合了輪式與履帶式的優(yōu)點［4］.

在分析輪式、履帶式移動機構環(huán)境適應性的基礎上，本文提出了一種可重構橡膠履帶變體輪（下文簡稱變體輪）設計方案.通過可重構橡膠履帶的變化，實現(xiàn)變體輪的輪履轉換.

1 全地形可重構橡膠履帶輪

1.1 結構特征

本文設計的變體輪主要由可重構橡膠履帶與履帶伸展機構組成，如圖1所示.可重構橡膠履帶是變體輪的關鍵組成部分，其幾何形狀是可變的，即具有一定的伸縮性.綜合輪式與履帶式的優(yōu)點，通過可重構橡膠履帶的變化，變體輪可以實現(xiàn)輪式與三角履帶式兩種不同運動模式之間的變換以適應復雜路面上的運動，使其兼具速度快、越障性能好的優(yōu)點.

圖1 變體輪結構示意圖Fig.1 Structure of variant wheel

1.2 運動模式

變體輪設計有輪式與履帶式兩種運動模式，如圖2所示.根據(jù)地面障礙物的大小不同，通過控制履帶伸展機構的角度，可以調整得到變體輪合適的運動姿態(tài)［5］.

圖2 變體輪典型運動模式Fig.2 Typical movement patterns of variant wheel

（1）輪式模式.如圖2a所示，履帶伸展機構完全收回，履帶呈圓形與地面接觸，變體輪作為輪式運動模式行駛于較為平坦且較堅硬的路面.

（2）履帶式模式.如圖2b，c，d所示，履帶伸展機構打開至水平，此時履帶與地面接觸面積最大，附著力也最大，履帶式模式下的變體輪越障性能好，有利于其跨越壕溝、爬坡、上臺階等.

（3）腿式模式.如圖2e所示，在履帶伸展機構打開至水平后繼續(xù)伸展，由伸展機構支撐變體輪，整體重心提高，有利于變體輪通過淺坑泥洼地形，此時為腿式模式.

（4）其他模式.如圖2f，g，h所示，當變體輪通過單個障礙物時，伸展機構不完全伸展，前伸展臂調節(jié)角度至障礙物高度，順勢爬上，在下障礙時為提供平穩(wěn)性將后伸展臂收回，通過調整兩伸展臂的伸展角度可以提高變體輪的越障效率.

2 變體輪總體結構設計

變體輪作為移動平臺的驅動部分需要經常行駛在各種復雜未知的路況上，所以其運動模式直接影響著平臺的機動性、通過性等.變體輪采用輪履復合式的結構設計，大大提高了變體輪的綜合性能，其核心部件履帶伸展機構以及可重構橡膠履帶是變體輪研究和開發(fā)過程中至關重要的環(huán)節(jié).

2.1 履帶伸展機構設計

從圖3中可以看出，伸展機構主要由電動缸、小輔助輪、大輔助輪、伸展臂等組成，其中電動缸的推桿與伸展臂鉸接，伸展臂與固定板鉸接.電動缸推桿在電動缸主體內部進行活塞運動，當推桿向外推時，與之鉸接的伸展臂向外伸展，通過可以滑動的大輔助輪撐開履帶，使變體輪可以采用履帶運動模式前進.當推桿收回時，伸展臂也隨之收回，在履帶自身彈力的作用下回復成圓形使變體輪可以采用輪式運動模式前進.

圖3 履帶伸展機構SolidWorks模型Fig.3 SolidWorks model of trackstretching mechanism

電動缸是將伺服電機與絲杠一體化設計的模塊化產品，將伺服電機的旋轉運動轉換成直線運動，其特點是位置與推力控制精準，比起液壓缸的優(yōu)勢在于使用壽命長，不會漏油.大、小輔助輪起伸展和支撐履帶的作用，為使其安裝方便并且與履帶的接觸面積大，采用兩片輪設計.伸展臂在伸展過程中受力較大，故應采用高強度材料保證其結構強度，輔助輪受力較小，加工時采用尼龍材料以減輕重量，其余零件采用鋁合金進行加工即可.

2.2 可重構橡膠履帶設計

可重構橡膠履帶是指在變體輪進行運動模式轉換時可配合伸展機構的活動進行伸縮變形，根據(jù)變體輪的尺寸大小以及工作環(huán)境要求，設計的可重構橡膠履帶如圖4所示.

圖4 可重構橡膠履帶模型Fig.4 Reconfigurable rubber－track model

圖4分別展示了可重構橡膠履帶的輪式形態(tài)以及三角履帶式形態(tài).從圖中可以看出，可重構橡膠履帶可分為36個小節(jié)，每個小節(jié)由圓形突起、T形突起、兩節(jié)內圈彈簧、彈簧固定塊以及兩側的側邊突起組成，每四個小節(jié)安裝有一根銷，銷的兩側安裝有兩個軸承.

可重構橡膠履帶采用具有高彈力且抗疲勞的硫化后的天然橡膠材料整體成型制作，可以使其具有很好的收縮性［6］.圓形突起與T形突起并排在履帶的最外側，在它們之間有一定間隙，當與地面接觸時可以增大摩擦同時也能保證履帶在伸展過程中有足夠的伸長量.在履帶節(jié)的中部通過彈簧固定塊安裝有兩排拉簧，其作用是為履帶的伸展收回提供拉力，使其能夠迅速地伸展和收回.安裝在履帶兩側的軸承通過銷與卡簧固定，其作用是與驅動輪的外齒嚙合傳動，傳遞驅動力矩.側邊突起參與傳動嚙合，增大履帶與驅動輪的摩擦，從而減小履帶打滑的可能性.

2.3 變體輪虛擬裝配

在完成變體輪基本結構設計之后，將設計好的零部件進行虛擬裝配，裝配好的三維模型如圖5所示.當變體輪在通過路況較好的平地時，伸展機構收回變體輪內部，整體保持輪式形式行駛，速度較快且機動性強；當變體輪在通過泥地、溝壑、坡路等非結構路面時，伸展機構打開，增大履帶與地面的接觸面積，越障能力較高且穩(wěn)定性好，達到了變體輪的設計要求.

圖5 可重構橡膠履帶變體輪整體裝配圖Fig.5 Overall assembly drawing of reconfigurable rubber－track variant－wheel

3 變體輪重要部件的有限元分析

用有限元分析方法分析剛度和強度是現(xiàn)代設計的必要手段［7］，設計人員在樣機生產加工前對其進行有限元分析可以預先發(fā)現(xiàn)潛在問題，采用優(yōu)化設計，降低材料的消耗和成本.為了驗證變體輪關鍵受力部位履帶伸展機構和可重構橡膠履帶的強度與剛度是否滿足要求，利用有限元分析軟件ANSYS對其進行仿真分析.

3.1 履帶伸展機構的有限元分析

履帶伸展機構在電動缸推桿的作用下控制履帶的展開和收回，受力較大且使用較為頻繁.如果伸展臂在該過程中發(fā)生變形甚至斷裂將導致變體輪無法有效地進行輪履轉換，失去可重構的意義，因此對其進行有限元分析尤為重要.

履帶伸展機構的三維模型如圖6所示.為便于計算，對其進行必要的簡化處理，主要包括：① 去除對整體計算影響不大的大、小輔助輪；② 去掉不影響整體性能的倒角、螺紋等；③ 軸銷聯(lián)接簡化為固連.

圖6 履帶伸展機構三維模型Fig.6 Three－dimensional model of trackstretching mechanism

將簡化后的伸展機構三維模型導入ANSYS軟件.模型單元采用三維實體單元Solid45，伸展機構的材料是鋼，其力學指標彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.27，密度為7.8×103kg·m－3，屈服極限為355～500MPa.電動缸推桿的推力可達1 000N，由于伸展臂具有一定的力臂，通過大輔助輪作用在履帶上的力只有300N，方向為輔助輪與履帶接觸部分的法線方向.考慮到變體輪在行走過程可能遇到的沖擊振動，將該力大小乘以2，即600N施加在大輔助輪軸上.小輔助輪與履帶接觸，起支撐履帶的作用，在其上施加300N作用力，方向豎直向上.在伸展臂與固定板的連接軸末端與推桿末端施加全約束.圖7為其網格劃分模型及邊界條件示意圖.

圖7 履帶伸展機構網格劃分模型及邊界條件Fig.7 Finite element analysis model and boundary condition of track－stretching mechanism

圖8為履帶伸展機構應力云圖.在履帶伸展過程中，最大應力為139MPa，出現(xiàn)在推桿與伸展臂的連接處，遠小于其材料屈服極限，滿足使用要求.

圖8 伸展機構應力云圖Fig.8 Stress cloud image of truck－stretching mechanism

3.2 可重構橡膠履帶的有限元分析

為了減少計算量，取履帶的一部分，并將多余的銷軸和軸承去掉，如圖9所示.因為主要想驗證的是外圈履帶的伸縮性，為進一步方便計算，將履帶的內圈彈簧及彈簧固定塊去除.

圖9 簡化的履帶三維模型Fig.9 Simplified three－dimensional model of track

將簡化后的履帶模型導入ANSYS軟件中，因為橡膠材料可以承受大彈性變形，且認為其各項同性和幾乎不可壓縮，使用兩參數(shù)的MooneyRivlin準則求解，單元類型選擇Solid185.已知硫化天然橡膠泊松比為4.9，彈性模量為35MPa，MooneyRivlin常數(shù)c10和c01分別為2MPa和0.5MPa.劃分網格后，將履帶模型的一側施加全約束，考慮到內彈簧被去除，施加在另一側的載荷為伸展力減去拉伸彈簧所需要的力，即230N.網格劃分模型及邊界條件如圖10所示

圖10 履帶網格劃分模型及邊界條件Fig.10 Finite element analysis model and boundary condition of track

圖11為履帶變形云圖，部分履帶在施加載荷后其變形達到了43.389mm.履帶在圓形狀態(tài)下和三角履帶式狀態(tài)下周長分別為2 512mm和2 885 mm，截取了履帶的九分之一用來分析，其變形量達到41.5mm即足夠，所以履帶的伸縮性滿足要求.

圖11 履帶變形云圖Fig.11 Deformation cloud image of track

4 結論

［1］肖俊君，尚建忠，羅自榮.一種多姿態(tài)便攜式履帶機器人運動設計及分析［J］.機械設計與制造，2007（8）：134－136.XIAO Junjun，SHANG Jianzhong，LUO Zirong.The mobility analysis of a kind of man－portable caterpillar robot［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2007（8）：134－136.

［2］王朝陽，胡淼，湯永紅.輪履復合式移動機器人設計及越障功能分析［J］.機械傳動，2010（4）：10－12.WANG Chaoyang，HU Miao，TANG Yonghong.Design and analysis of surmouning obstacle function for wheel－track robot［J］.Mechanical Transmission，2010（4）：10－12.

［3］李海泓.輪履變結構反恐機器人設計與研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011.LI Haihong.Design and research of anti－terrorism robot with wheeled－tracked variable structure ［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2011.

［4］陳淑艷，陳文家.履帶式移動機器人研究綜述［J］.機電工程，2007，24（12）：109－112.CHEN Shuyan，CHEN Wenjia.Review of tracked mobile robot［J］.Electrical and Mechanical Engineering，2007，24（12）：109－112.

［5］LIU J G，WANG Y C，MA S G，et al.Analysis of stairsclimbing ability for a tracked reconfigurable modular robot［C］／／IEEE International Workshop on Safety，Security and Rescue Robotics.Piscataway，NJ：IEEE，2005：36－41.

［6］侯忠明，姚凱，王勝軍.可更換橡膠履帶輪的發(fā)展與應用［J］.橡膠工業(yè)，2009，56（12）：764－767.HOU Zhongming，YAO Kai，WANG Shengjun.Development and application of replaceable rubber track wheel［J］.China Rubber Industry，2009，56（12）：764－767.

［7］張利勇.高爐爐頂維修機器人設計［D］.上海：上海大學，2008.ZHANG Liyong.The design of blast furnace maintenance robot［D］.Shanghai：Shanghai University，2008.