輪腿式移動(dòng)平臺(tái)行動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與越障能力分析

叢　華， 王若天， 張傳清， 段久元， 陳　冰

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072; 2. 63713部隊(duì)， 山西 忻州 036204; 3. 63788 部隊(duì)， 陜西 渭南 714000)

輪腿式移動(dòng)平臺(tái)行動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與越障能力分析

叢華1， 王若天1， 張傳清1， 段久元2， 陳冰3

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072; 2. 63713部隊(duì)， 山西 忻州 036204; 3. 63788 部隊(duì)， 陜西 渭南 714000)

摘要：為滿足復(fù)雜路面越野機(jī)動(dòng)和翻越垂直障礙的能力需求，設(shè)計(jì)了輪腿結(jié)合式移動(dòng)平臺(tái)行動(dòng)機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的翻越障礙物的動(dòng)作，分析了輪腿結(jié)合式行動(dòng)機(jī)構(gòu)越障過程中的受力情況和動(dòng)力需求，使用MATLAB計(jì)算獲得輪腿擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，并通過軟件ADAMS建立該移動(dòng)平臺(tái)整機(jī)模型，仿真分析了移動(dòng)平臺(tái)翻越障礙的過程。結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足通過200 mm高臺(tái)所需，獲得擺臂電機(jī)最小轉(zhuǎn)矩參考值為5.01 N·m，為輪腿式移動(dòng)平臺(tái)的進(jìn)一步研究提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無人移動(dòng)平臺(tái)；輪腿式結(jié)構(gòu)；越障設(shè)計(jì)

輪式結(jié)構(gòu)地面移動(dòng)平臺(tái)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)速度快和控制容易等優(yōu)點(diǎn)，但難以適應(yīng)稍復(fù)雜地貌，應(yīng)用受限。腿式結(jié)構(gòu)移動(dòng)平臺(tái)易于通過凸凹不平地面，但運(yùn)動(dòng)速度較慢、驅(qū)動(dòng)效率低，而且控制方法復(fù)雜[1]。綜合輪式與腿式結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)生的輪腿式移動(dòng)平臺(tái)，機(jī)動(dòng)性與通過性優(yōu)異，廣泛適用于星球探測(cè)、災(zāi)場營救、軍事偵察等任務(wù)。

應(yīng)用于城市偵察領(lǐng)域的輪腿式復(fù)合移動(dòng)平臺(tái)，普遍具有高機(jī)動(dòng)性，而復(fù)雜環(huán)境通過性是決定其應(yīng)用性能的關(guān)鍵。Wettergreen等[2]研制的Scarab輪腿式移動(dòng)平臺(tái)對(duì)陡坡路面具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，但輪腿關(guān)節(jié)變形程度小，自由度有限。Bruzzone等[3]研制的Mantis 2.0輪腿移動(dòng)平臺(tái)仿造螳螂設(shè)計(jì)的機(jī)械前臂，可支撐高為160 mm移動(dòng)平臺(tái)，并通過與之本體等高的平臺(tái)，缺點(diǎn)是前臂會(huì)因欠驅(qū)動(dòng)而出現(xiàn)滑移失穩(wěn)現(xiàn)象。王紅梅等[4]研制的輪腿式移動(dòng)平臺(tái)依靠轉(zhuǎn)向關(guān)節(jié)和擺臂，可實(shí)現(xiàn)樓梯爬越動(dòng)作，但因配有8個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)負(fù)載過大，能量利用率低。

針對(duì)城市環(huán)境下的偵察任務(wù)，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)輪腿式移動(dòng)平臺(tái)，4個(gè)腿式結(jié)構(gòu)可全向旋轉(zhuǎn)，安裝在腿部末端的4組輪轂電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)行進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)并滿足越障需求，給出一組分步式越障動(dòng)作，并分析受力特性，得出動(dòng)力參數(shù)，應(yīng)用ADAMS仿真軟件模擬越臺(tái)過程，獲得擺臂扭矩隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化的關(guān)系，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，以期為下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

1結(jié)構(gòu)與越障過程設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)預(yù)期，輪腿式移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)由單兵攜行，用于執(zhí)行城市偵察任務(wù)。因此，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)當(dāng)滿足以下需求：1)體積小、重量輕，即可由單兵攜行；2)具有一定載重能力，即可負(fù)載無線偵察單元；3)有較強(qiáng)的城市越障能力，即重心位置可調(diào)、結(jié)構(gòu)可變，以適用多種路面條件下的行駛、越障、高臺(tái)爬越。

依照以上設(shè)計(jì)需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)見表1。

表1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍繞以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用關(guān)節(jié)懸掛式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輪腿式移動(dòng)平臺(tái)，其三維效果如圖1所示?？梢钥闯觯很圀w前、后兩側(cè)分別伸出1個(gè)輪腿轉(zhuǎn)向軸，來自驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩由蝸輪蝸桿傳遞至輪腿轉(zhuǎn)向軸，驅(qū)動(dòng)腿部結(jié)構(gòu)繞軸360°轉(zhuǎn)動(dòng)；腿上具有仿膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)內(nèi)置彈簧阻尼懸掛系統(tǒng)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)限位，使其腿部上下部分具有±15°的擺動(dòng)空間；腿部末端連接輪轂電機(jī)，最終通過腿部擺動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)輪位的動(dòng)態(tài)變化與車姿調(diào)整。

圖1　輪腿式移動(dòng)平臺(tái)三維效果

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1)蝸輪蝸桿式動(dòng)力傳動(dòng)使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)與腿部轉(zhuǎn)軸垂直安裝，節(jié)省了車體寬度，并有效解決了垂直沖擊造成的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)等問題；2)關(guān)節(jié)式懸掛系統(tǒng)使得當(dāng)運(yùn)動(dòng)過程中遇到路面波動(dòng)時(shí)，關(guān)節(jié)處彈簧阻尼系統(tǒng)可有效減小由于路面不平整而造成的沖擊，保持整體穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)載負(fù)設(shè)備的保護(hù)。

1.2越障過程設(shè)計(jì)

假設(shè)輪腿部關(guān)節(jié)為剛性連接，忽略彈簧阻尼懸掛系統(tǒng)影響，輪腿結(jié)構(gòu)在車體兩側(cè)輪轂電機(jī)作用下實(shí)現(xiàn)全向轉(zhuǎn)動(dòng)，依此設(shè)計(jì)擺臂動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)越障目的。

通常狀態(tài)下，為保證平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定，應(yīng)選擇重心較低的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)遇到較高平臺(tái)時(shí)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下輪腿結(jié)構(gòu)直立，使得平臺(tái)獲得較高車姿預(yù)攀高臺(tái)，如圖2(a)所示；而后，一只前腿旋轉(zhuǎn)3π/2最終搭于臺(tái)上，如圖2(b)所示；另一只前腿跟隨搭于臺(tái)上，至此前腿均已置于臺(tái)上，如圖2(c)所示；輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪部轉(zhuǎn)動(dòng)，前移至后輪預(yù)攀狀態(tài)，如圖2(d)所示；兩后腿分別旋轉(zhuǎn)3π/2，逐個(gè)搭于臺(tái)上最終就位完成，如圖2(e)、(f)所示；通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制使得后腿歸于正常車姿，如圖2(g)所示。

圖2　輪腿式無人平臺(tái)分步式越障過程

2越障受力分析與動(dòng)力需求

依據(jù)前述越障過程設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)攀爬200 mm高臺(tái)，需匹配動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，亦即4輪腿驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)腿部旋轉(zhuǎn)與挺舉上臺(tái)動(dòng)作以滿足整套動(dòng)作執(zhí)行。為此，建立模型分析其受力特性與負(fù)載極限，最終獲得極限受力情況作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)能力的參考指標(biāo)?；喗Y(jié)構(gòu)，給出以下假設(shè)條件：1) 在整個(gè)動(dòng)作執(zhí)行過程中，擺臂均為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；2) 輪部質(zhì)量相比整車質(zhì)量較小，除局部分析外，輪轂電機(jī)質(zhì)量不計(jì)；3) 車身上部預(yù)計(jì)安裝多種設(shè)備，依假設(shè)2)，視成型車體質(zhì)心位于幾何中心位置。

2.1腿部旋轉(zhuǎn)受力極限分析

圖3為單輪腿簡化結(jié)構(gòu)，其中：A為腿末端連接的輪轂電機(jī)輪軸中心；B為蝸桿轉(zhuǎn)軸中心，命名蝸桿轉(zhuǎn)軸為B軸；OB腿垂直B軸安裝，通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)連接到車體內(nèi)部的輪腿轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)矩由蝸輪蝸桿傳遞至B軸，從而帶動(dòng)OB部分旋轉(zhuǎn)；O為連接上、下2段腿式結(jié)構(gòu)OA、OB的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，整體構(gòu)成一個(gè)單輪腿系統(tǒng)；OA、OB在關(guān)節(jié)處成角α=(150±15)°，使得移動(dòng)平臺(tái)在遭遇小型路面波動(dòng)時(shí)，無需轉(zhuǎn)向電機(jī)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)避障，關(guān)節(jié)O亦可被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)而減緩路面沖擊。為簡化計(jì)算，忽略腿部結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)連接部分質(zhì)量，視車體載荷后總重為G，輪部重力為GA；在分析輪腿結(jié)構(gòu)繞B軸旋轉(zhuǎn)的過程中，OA、OB的相對(duì)擺動(dòng)較B軸旋轉(zhuǎn)對(duì)車姿變化影響微弱，故忽略關(guān)節(jié)O處兩側(cè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，即在分析越臺(tái)時(shí)視O處關(guān)節(jié)為剛性連接；針對(duì)B軸受力分析時(shí)，可將A、O、B三點(diǎn)連接，視之為剛性三角形，則B軸轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)輪部旋轉(zhuǎn)需滿足轉(zhuǎn)矩平衡[5]。即有

MB=GALABcosθ，

(1)

圖3　單輪腿簡化結(jié)構(gòu)

式中：MB為輪部勻速旋轉(zhuǎn)過程中B軸傳遞的電機(jī)扭矩；LAB為A、B點(diǎn)之間距離；θ為LAB與水平方向所成角度。由余弦定理可知

(2)

式中：LOA及LOB分別為O到A、B之間距離，關(guān)節(jié)連接固定為α=150°。

根據(jù)式(1)可得：當(dāng)θ=0° 時(shí)，MB達(dá)到全周旋轉(zhuǎn)的最大值，代入數(shù)值求得其值為3.605 N·m，故B軸轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)至少提供3.605 N·m轉(zhuǎn)矩。

2.2越障受力分析

根據(jù)前述越障過程設(shè)計(jì)，分析越200 mm高臺(tái)過程中的受力情況與最小轉(zhuǎn)矩，獲得滿足設(shè)計(jì)性能的必要條件。圖4為越200 mm高臺(tái)受力分析。

圖4　越200 mm高臺(tái)受力分析

越臺(tái)前，4輪腿結(jié)構(gòu)均處于直立狀態(tài)，其下底面距離地面150 mm，故此時(shí)達(dá)到依靠平臺(tái)本體能夠通過的最大高度150 mm。為了接觸200 mm平臺(tái)，需使其下底面在豎直方向上產(chǎn)生50 mm以上的位移,即使其重心位置完全通過平臺(tái)邊緣[6]。越障支撐過程為：一只前腿抬起，向后旋轉(zhuǎn)直至前輪搭接于高臺(tái)平面上，此時(shí)渦輪蝸桿保持自鎖狀態(tài)，各輪軸固定無法旋轉(zhuǎn)，臺(tái)上一前輪與2后輪接地以維持車體穩(wěn)定；隨后，另一只前腿跟隨旋轉(zhuǎn)，直至搭接于上臺(tái)面；而后，2只前腿在前擺動(dòng)電機(jī)作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將車體支撐起來。

由于有前側(cè)2電機(jī)驅(qū)動(dòng)承擔(dān)支撐動(dòng)作，則因重力作用所產(chǎn)生的扭矩按一半值進(jìn)行計(jì)算，又由于整車豎直方向?qū)ΨQ，故只需分析單側(cè)受力情況。以后輪與地面接觸點(diǎn)D為參考點(diǎn)[7]，視其擺動(dòng)全過程為勻速旋轉(zhuǎn)，則滿足力矩平衡條件，即

(3)

式中：N為上平臺(tái)與輪部的正壓力；h為上平臺(tái)距地面高度；LM為后輪直立狀態(tài)下重心與后輪腿在豎直方向距離；f=μN(yùn) ，為平臺(tái)提供的水平方向摩擦力，μ 為地面摩擦因數(shù)，取μ=0.3;

γ=arcsin[h-LAB(1-sinδ)]/L,

(4)

為車體與水平方向所成角度，其中r為車輪半徑，L為車體長度。

假設(shè)車身重心位于車體部分的幾何中心C，在爬越過程中，車體轉(zhuǎn)動(dòng)，重心抬升，視重心相對(duì)車體位置不變，β 為車體重心相對(duì)車體底面的傾角大小，則

β=arctan(H/L),

(5)

式中:H為上車體高度。

而后求解重心與后輪腿在豎直方向距離LM：

(6)

獲得前側(cè)單個(gè)擺動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩MB：

MB=NLABcosθ+f(r-LABsinθ)。

(7)

綜合全向旋轉(zhuǎn)和雙輪支撐越臺(tái)受力極限分析可得：為使上述輪腿式移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)越障性能，在后腿部驅(qū)動(dòng)電機(jī)和輪轂電機(jī)作用下，無人平臺(tái)可通過200 mm高臺(tái)。

3支撐上臺(tái)動(dòng)作仿真驗(yàn)證

根據(jù)前述動(dòng)作，使用MATLAB軟件求解旋轉(zhuǎn)支撐越臺(tái)過程中MB隨θ的變化曲線,如圖5所示，可知:當(dāng)θ=-18.8°時(shí)，MB具有極大值，為4.93 N·m。

圖5　旋轉(zhuǎn)支撐越臺(tái)過程MB隨θ變化曲線

使用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)越臺(tái)過程進(jìn)行分析，研究其前擺臂電機(jī)帶動(dòng)輪部轉(zhuǎn)動(dòng)過程，由初始狀態(tài)——前腿水平搭接臺(tái)面，至終止位置——質(zhì)心高度超越臺(tái)面高度，即θ=±30°范圍擺動(dòng)下，前擺動(dòng)電機(jī)需要提供的最小力矩。

圖6為旋轉(zhuǎn)支撐越臺(tái)動(dòng)作ADAMS仿真。旋轉(zhuǎn)支撐起始狀態(tài)如圖6(a)所示，可見：2前輪搭接于臺(tái)上，車身呈水平姿態(tài)。在模型擺臂關(guān)節(jié)由起始位置開始施加一勻速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度1°/s，旋轉(zhuǎn)過程重心提高，即滿足通過高臺(tái)要求，如圖6(b)所示。而后使用Measure模塊測(cè)量轉(zhuǎn)軸處提供的力矩，在 Post Processor模塊得到MB隨θ的變化曲線，如圖7所示?？梢钥闯觯盒D(zhuǎn)-16°附近時(shí)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，可知此時(shí)所需轉(zhuǎn)矩為4.82 N·m，與理論值相差2.3%。出現(xiàn)誤差的原因可能為：一方面仿真模型的接觸約束存在一定彈性，與理論分析中的純剛性力學(xué)模型有差異；另一方面，在受力分析過程中，視車體質(zhì)量集中于質(zhì)心一點(diǎn)，與ADAMS模型的整體質(zhì)量分布有差異。

圖6　旋轉(zhuǎn)支撐越臺(tái)動(dòng)作ADAMS仿真

圖7　在Post Processor模塊得到的MB隨θ變化曲線

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Action Mechanism Design and Obstacle Climbing Analysis of Leg-wheel Unmanned Mobile Platform

CONG Hua1, WANG Ruo-tian1, ZHANG Chuan-qing1, DUAN Jiu-yuan2, CHEN Bing3

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Troop No. 63713 of PLA, Xinzhou 036204, China; 3. Troop No. 63788 of PLA, Weinan 714000, China)

Abstract：To achieve high mobility for country crossing and the ability of climbing vertical obstacles, a novel leg-wheel mobile platform is designed, including the action for obstacle climbing. Focusing on forces and power requirements on leg-wheel mechanism in the process of obstacle climbing, using MATLAB to get the maximum of output torque during motor drive legs swing process, a model of mobile platform is established through the multibody dynamics modeling software ADAMS, the process of obstacle climbing is simulated and analyzed. Results show that the proposed structure design can satisfy the requirements of 200 mm high platform and gains the minimum torque 5.01 N·m of swing arm motor as reference value, which provides a theoretical basis and foundation for further studies on wheel legged mobile platform.

Key words:unmanned mobile platform; leg-wheel structure; obstacle climbing design

文章編號(hào)：1672-1497(2016)02-0032-04

收稿日期：2016-01-06

基金項(xiàng)目：軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

作者簡介：叢華(1966-)，男，教授，博士。

中圖分類號(hào)：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.02.007