可重構車輪機構設計和研究

蘆浩南，張鵬超，2，田智永

（1.陜西理工大學機械工程學院，陜西漢中 723000；2.陜西理工大學 陜西省工業(yè)自動化重點實驗室，陜西漢中 723000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和時代的進步，越來越多的危險或重復性的工作交給了機器人來完成[1]。隨著科學技術的日益發(fā)展，機器人已經在軍事、防災救援、星際探索等各個方面有了重要應用[2]。移動機器人作為機器人學的重要分支，其移動機構的研究也一直受到重視[3]。傳統(tǒng)移動機器人行走機構主要有輪式、履帶式和腿式[1]。其中輪式機構具有速度快、結構簡單，轉向靈活等特點，但越障能力較差。輪式可分為常規(guī)輪式、異形輪式和變形輪式。常規(guī)輪式是指僅對傳統(tǒng)機動平臺的底盤懸架進行優(yōu)化；異形輪是指設計新型車輪形狀實現(xiàn)功能；變形輪是指對車輪結構進行設計，使其可根據外部條件進行主動或被動變形[4-5]（本文設計的可重構車輪即為變形輪式）。履帶式機構越障能力出色但移動速度慢、履帶容易磨損且能量消耗大。腿式機構最為靈活但行走速度慢且控制難度大[6-7]。為了解決這些缺陷，近些年出現(xiàn)了輪腿式、履腿式、輪履腿式等復合移動機構[8-9]，例如：長安大學基于液壓系統(tǒng)設計的輪履復合機器人，江蘇大學設計的輪履復合環(huán)保機器人，以色列埃爾比特系統(tǒng)公司的可重構履帶機器人[10-11]。這些新型的底盤結構一定程度上提高了移動機器人對地形的適應性，但較高的環(huán)境適應性是用更大的重量、更復雜的結構和更大的能量消耗換取的，且很大程度上無法適應日常使用，并且使用前需要對原有移動機構進行拆卸更換[12]。本文設計的新型可重構車輪，在原有車輛車輪尺寸、重量和安裝方式不變的前提下，直接替換普通車輪安裝使用，使車輛車輪擁有在圓形（輪式）和類三角形（履帶）之間進行自主轉換的能力，從而大大提高其通過能力，使移動機器人或越野車可以僅通過更換原車輪的方法 獲得更優(yōu)秀的復雜路面通過性[13-14]。

1 可重構車輪技術方案

1.1 結構布局

本文設計的可重構車輪為了使移動機器人或越野車可以在鋪裝道路上正常行駛，同時在遇到泥濘、沙石等崎嶇不平或容易沉陷等障礙時具有優(yōu)秀的適應性，采用自主設計具有可重構功能的可變形輪轂，可以讓車輪在保證正常行駛的圓形車輪模式和提高通過性的類三角履帶模式之間進行轉換（圖1）。轉換方式是由車輪通過輪轂內安裝的液壓桿提供動力，驅動驅動履帶保持架旋轉一定角度，使輪轂變形成類三角形，增大接地面積并減小接地比壓，提高通過性[15]，并且由于液壓桿獨立工作的特質使其可以在圓形車輪模式和類三角履帶模式自由轉換。

圖1 可重構車輪輪式模式及履帶模式

1.2 運動模式

可重構車輪具有輪式、履帶式和兩者互相轉換時的過渡模式等3 種運動模式。

（1）輪式運動模式。應用場景為正常道路或較平坦道路上行駛，如圖1a）所示。液壓變形裝置收縮拉動履帶保持架回收，履帶保持架成圓形。此時車輛動力由車軸傳遞至可重構車輪，帶動整體旋轉從而驅動車輛前進。

（2）履帶運動模式。應用場景為在崎嶇或泥濘等容易沉陷的道路上行駛，如圖1b）所示。液壓裝置將履帶保持架推出并鎖死，整體成類三角形。同時隨著履帶保持架的旋轉，兩節(jié)保持架中間的行星輪與內側的太陽輪嚙合，此時車輛動力由車軸傳遞至太陽輪，經與之嚙合的行星輪傳輸從而將動力傳遞至履帶。

（3）過渡運動模式。該模式是靜止或行進中兩個模式轉換時的過渡模式。當輪式模式轉換為履帶模式時，液壓桿驅動履帶保持架旋轉，此時車輪整體與車軸脫開鏈接，履帶根據慣性繼續(xù)向前運動，而液壓變形機構由于自身重心并不在支撐軸線上，將自動旋轉至履帶運動模式的位置。隨后液壓桿繼續(xù)驅動履帶保持架直至行星輪和太陽輪嚙合，輪轂變成類三角形，此時變形完成。當履帶模式轉換為輪式模式時，液壓桿回收帶動履帶保持架旋轉從而使行星輪和太陽輪分離。此時履帶根據慣性繼續(xù)向前運動直至整體變形至圓形，傳動系統(tǒng)與車軸嚙合，整體隨著車軸旋轉實現(xiàn)行進間變形。另外，為了保證可靠性和平順性，其與地面接觸的部位使用可重復替換的橡膠履帶。

2 可重構車輪各部件結構設計

2.1 液壓變形機構結構設計

當車輛行駛中遇到泥濘、崎嶇不平等容易沉陷的地形時，可重構車輪將由車輪狀態(tài)變換為履帶狀態(tài)，以增加附著力及減少壓強，從而提高通過性。其中實現(xiàn)可重構車輪由車輪狀態(tài)變換為履帶狀態(tài)是靠內部安裝的液壓變形機構驅動。液壓變形機構由兩個中心液壓缸和兩組共6 根液壓頂桿構成（圖2）。其中一組液壓桿負責提供輪式形態(tài)到履帶形態(tài)變形的動力，每根液壓桿末端安裝有連接器安裝座，安裝座通過銷軸安裝兩個承重輪連接器，承重輪連接器與兩個頂角承重輪相連。另一組液壓桿通過銷軸和履帶保持架相連，為履帶形態(tài)和輪形態(tài)提供動力。液壓驅動控制精準快速、驅動力大且可靠性高。

圖2 液壓變形機構及行星齒輪機構

2.2 行星齒輪機構結構設計

行星齒輪機構是車輪實現(xiàn)驅動的核心，需要在履帶狀態(tài)時將車軸上的動力傳遞至履帶上，并且在輪式狀態(tài)時動力傳遞至車輪，同時需要在變形期間將動力斷開，防止車輪在三角形的狀態(tài)開始旋轉造成損壞和顛簸。行星齒輪機構包含一個太陽輪和3 個行星輪，其中太陽輪與傳動軸通過離合器相鏈接，傳動軸通過聯(lián)軸器和車軸相連實現(xiàn)動力傳輸，行星輪安裝在兩組履帶保持架中間同時與履帶嚙合。

當可重構車輪處于車輪狀態(tài)時，車軸動力直接驅動車輪旋轉，整個行星齒輪機構不參與傳動。當開始向履帶狀態(tài)變形時離合器松開，整個車輪慣性向前滾動，當液壓頂桿完成動作時，行星齒輪與太陽輪嚙合，此時離合器嚙合，車軸動力經由太陽輪和行星輪傳遞至履帶。

2.3 履帶保持架結構設計

為了保證可重構車輪在輪式狀態(tài)和履帶狀態(tài)下都有足夠的剛性支撐車體，在履帶內側的承重輪兩側設計有履帶保持架作為安裝支架。履帶保持架外側為圓弧狀，類似于正常車輛使用的輪轂，履帶保持架可以保證輪式狀態(tài)運動平穩(wěn)，同時可以分散受到的沖擊。每組對兩個保持架安裝兩個普通承重輪和一個頂角承重輪，由于頂角承重輪經常受到沖擊，因此采用強度更高的材料制造。其中相鄰兩組履帶保持架通過一個行星輪外圈的軸承相連，同時可以繞行星輪進行一定角度的旋轉，每兩組履帶保持架安裝的7 個承重輪按圓周分布。此結構有6 組履帶保持架共21 個承重輪零件，在輪式狀態(tài)下為正二十一邊形，近似為圓形；履帶狀態(tài)下為類三角形。

3 應用場景及整體尺寸設計

可重構車輪主要面向大型輪式機器人及越野車，幫助其提升地形通過能力。該裝置不需要對車輛或機器人本身進行改裝。采用和普通輪胎相同的安裝方式，只需要將原車輪胎拆卸后將可重構車輪通過與原輪胎相同的螺栓螺母進行安裝即可正常使用。因其控制系統(tǒng)和液壓變形的動力系統(tǒng)均在車輪內部集成，所以并不需要額外的動力。

為了保證可重構車輪安裝后不會和原車發(fā)生裝配干涉，可重構車輪尺寸設計參考越野車最經常使用的315/70R17 輪胎，尺寸為652.3×315 mm。相同的外形尺寸設計即可保證可重構車輪變形前后或者變形過程均不會與車輛的自身結構發(fā)生干涉。

4 主要零部件強度校核

可重構車輪強度校核數值參考與美軍大量裝備的悍馬H1型越野車類似的悍馬H2 越野車。該車車重2909 kg，可承載4人總重量約320 kg，外加一些裝備外設總重量取4 t，最大速度180 km/h，最大扭矩574 N·m。應用Ansys 軟件對承載部件進行靜應力有限元分析，并進行優(yōu)化以保證在目標載荷下各承載部件的安全系數不小于2。

普通負重輪為工作狀態(tài)的主要承重部件，輪式狀態(tài)時極限情況每個車輪單負重輪著地，悍馬最大爬坡角為60%約合30°。為保證普通負重輪的工作可靠性，根據可重構車輪工作狀態(tài)對其底部添加Fixed Support（固定約束），材料選用7075 鋁合金。單個承重輪按照17 000 N 施加作用力，受力點為輪體外圓面，固定點為輪體內圓面。通過ANSYS Workbench 進行應力分析，分析結果如圖3 所示，最大應力沿圓周對稱分布，安全系數最小為3.346，大于規(guī)定安全系數。

圖3 承重輪有限元分析

可重構車輪的頂角負重輪的安裝位置是類三角形的頂角，為履帶狀態(tài)下最容易受到沖擊的位置。越野車在越野路面行駛的速度約為60 km/h，滿載撞擊至障礙物大約66 000 N，根據可重構車輪工作狀態(tài)對其底部添加Fixed Support（固定約束），材料為40Cr 合金鋼，滿載撞擊至障礙物按照66 000 N 施加作用力，受力點為輪體外圓面，固定點為輪體內圓面。通過ANSYS Workbench 進行應力分析，分析結果見圖4，最大應力分布在中間段兩側，沒有超過所選材料屈服極限，安全系數最小3.3214。

圖4 頂角承重輪有限元分析

軸類零件是可重構車輪的主要承載部件，對與承重輪配合的承重輪軸和與行星齒輪配合的行星齒輪軸進行仿真，通過ANSYS Workbench 進行應力分析，材料均采用40Cr 合金鋼，按照與承重輪相同的17 000 N 對承重輪軸施加作用力，受力點在最中心軸肩，固定點為外側軸肩。分析結果如圖5a）所示，安全系數最小為3.7978。承載輪軸最大應力集中在最大軸肩處，最大應力沒有超過所選材料的屈服極限，安全系數最小為2.3985，應力分布較為合理（圖5b））。

圖5 軸類零件有限元分析

對可重構車輪施加負載后，作用力通過軸類零件傳遞至履帶保持架，履帶保持架為保證輪式狀態(tài)和履帶狀態(tài)下的車輪形狀需要有足夠的強度，同時履帶保持架的強度決定了整個可重構車輪的承載能力。通過ANSYS Workbench 進行應力分析其材料采用40Cr 合金鋼，受力點為外側圓弧面，固定點為內孔的外圓面。對其進行應力分析，仿真結果見圖6。應力分布較為合理。安全系數最小為6.7311。

圖6 履帶保持架有限元分析

通過對以上關鍵零件的強度校核可知，整個可重構車輪機構結構合理且可以滿足設計需要。

5 結論

提出一種應用于車輛及大型機器人的新型可重構車輪，對現(xiàn)有的可變形車輪進行結構設計和性能優(yōu)化。通過改造原車輛安裝的輪轂結構，將圓形輪轂改為具有變形能力的履帶保持架，同時安裝液壓桿作為變形動力，使其具有變形能力，可以根據路況隨時進行車輪狀態(tài)和履帶狀態(tài)的轉換，并通過優(yōu)化變形流程及改進動力傳輸路線，可以在行駛中實現(xiàn)車輪到履帶的轉換。整套可重構車輪安裝便捷，不需要對車輛或機器人進行特殊改裝即可直接安裝?？梢源蠓忍岣攥F(xiàn)有車輛或機器人裝備的機動性和通過性。在設計過程中，將傳動系統(tǒng)機構和液壓變形機構與車輪整體結構進行集成，從而減輕可重構車輪整體重量并優(yōu)化了結構。通過對零部件的優(yōu)化并進行強度校核，保證整個可重構車輪擁有優(yōu)秀的承載能力和可靠性。