一種新型輪履耦合機構的研究及其運用

金承珂，張曉龍，溫秀平，紀宇，劉林偉

(南京工程學院 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院，江蘇 南京 211167)

0 引言

輪履變換是近期提出的新型運動方式之一[1-3]，尤其適用于以平地為主偶有臺階、樓梯的城市環(huán)境。傳統(tǒng)的輪履結合依靠疊加機構，結構臃腫且體積大，已經(jīng)不適合現(xiàn)在的環(huán)境；而輪履耦合機器人只需要一套輪履耦合機構，其結構緊湊、可快速完成輪式行走和履帶式行走的切換，兼?zhèn)漭喪綑C器人和履帶式機器人的優(yōu)點[4]。當遇到不易下陷的路面時，機器人以輪式行走[5]；遇到沼澤、泥潭等地形時，機器人則以履帶方式行走[6-7]；當遇到垂直障礙時，機器人利用履帶結構中較高的誘導輪進行越障。該技術可以應用在小型地面移動機器人[8]、越障爬樓輪椅[9-11]以及需要快速進行輪履變換的場合。比如，需要更換三角履帶輪的軍用越野車或民用重型越野車輛在更換三角輪時大約需要20min，而采用輪履變換方案可在短短幾秒內完成切換，大大提高了更換效率。現(xiàn)在的研究大多只是針對大型車輛設計的輪履耦合結構，而對于小型機器人的研究還很少見[12]。

因此，本文針對小型機器人提出了一種輪履耦合結構設計的新思路。該結構的特色之處在于，這種新型結構不局限于橡膠履帶，而是采用強度和耐磨性更高、阻力更小的金屬履帶。在遇到障礙時，較高的誘導輪會幫助其越障。當越野機器人在較平坦的路面進行移動時，越野機器人的移動機構為輪式；而當越野機器人遇到沼澤、廢墟和臺階時，其輪子內部兩根叉臂帶動履帶展開，轉化為履帶式移動。這樣可以將輪式移動的高速、高效和履帶式移動高越障性的優(yōu)點有效地組合，從而使越野機器人的可行駛范圍得到大幅度拓展。同時，該越野機器人在履帶狀態(tài)下受到?jīng)_擊時叉臂會向內略微收緊，以此來緩解沖擊，保護其內部的結構。

1 輪履耦合傳動機構的設計

1.1 通用部分設計

本系統(tǒng)可采用普通直流電機或步進電機驅動。車體內部主要有電機、傳動帶、主軸、離合器和內側車輪板等。離合器配有離合器撥叉、舵機齒輪；內側車輪板配有拉索、板彈簧。電機利用中間撓性件(同步帶)將動力傳遞到主軸上。車體橫截面圖如圖1所示。

圖1 車體橫截面結構

1.2 輪式傳動路線設計

輪式運轉時，離合器與主軸相連，內側車輪板也與離合器相連，此時叉臂由于離合器帶動拉索而處于收緊狀態(tài)，履帶被叉臂向內帶動并被叉臂夾住，并將內側車輪板與外側車輪板露出，并依靠它們行走。

1.3 履帶式傳動路線設計

履帶式運轉時，離合器與主軸脫離，又與內側板脫離，而叉臂由于車輪板上安裝的扭簧而處于伸展狀態(tài)，履帶被張緊，并從車輪板伸出，同時由電機帶動的主軸利用同步帶將動力傳輸?shù)脚c叉臂同軸布置的兩個主動輪上，主動輪帶動履帶使車輪行走。

輪式運轉與履帶式運轉時輪板如圖2所示。

圖2 輪履變換時輪板內部結構

1.4 輪履變換過程設計

當履帶式向輪式轉變時，舵機帶動齒輪旋轉，利用齒輪齒條機構將撥叉向內側移動。此時離合器由于撥叉的作用也向內側移動，并同時與主軸、內側車輪板接合。與此同時，這3個部件同步回轉，即車輪整體同步回轉。而離合器靠外的部分固定有拉索，離合器帶動拉索向內側移動，拉索的另一端固定在叉臂上。拉動前，叉臂由扭簧與履帶固定(用扭簧向外推動，外側的限位依靠履帶周長)；拉動后，叉臂向內收縮，收起并夾住履帶，并將輪子露出。

當輪式向履帶式轉變時，離合器向外側移動，拉住叉臂的拉索松開；叉臂在扭簧的帶動下張開，并將履帶拉直；而內部由于離合器脫離，內側車輪板在偏心輪與板彈簧的預緊力下以正常運轉情況保持穩(wěn)態(tài)。此時以履帶式行走。

2 輪履耦合執(zhí)行機構的設計

當履帶式運行時，叉臂展開，將承重輪與誘導輪推出車輪板，主軸外側的同步帶輪利用同步帶將動力傳輸?shù)街鲃虞喩?，主動輪帶動履帶運動。

當輪式運行時，所有輪子板內部的構件與主軸同軸旋轉。簡化車體結構如圖3所示。

圖3 輪履耦合車體外側結構爆炸圖

此處有一個難點，就是如何使車輛運行時輪式變換為履帶式時，叉臂能可靠地夾住履帶。能否可靠夾緊涉及幾方面因素：1)夾緊速度，可通過加大舵機轉速實現(xiàn)；2)履帶質量，由于金屬履帶慣性大，故無需額外改進；3)履帶銷與履帶板之間的摩擦力矩，可通過提高履帶銷與履帶銷孔的表面粗糙度方式予以改善；4)車速，雖然此輪履耦合機構可在運行過程中變換運行模式，但履帶式變換為輪式時車速不能過快，車速過高時，履帶受到的慣性力過大，會使夾緊不可靠，甚至無法夾住履帶。此時履帶可能會脫離車輛，故要設置一個履帶式變換為輪式時的最高車速。

3 輪履耦合越野機器人跨越障礙姿態(tài)分析

表1為輪履耦合越野機器人參數(shù)說明。

表1 參數(shù)說明

綜上分析可得：θ=δT，T=LF，S=L/tanθ，S=Esinβ，F(xiàn)=kG/4，β≤arcsin[L/Etan(δLkG/4)]

綜上所述，若需改變履帶擺動角，則可選擇改變內輪板偏心距或改變板彈簧參數(shù)(工作長度與倔強系數(shù))，但β不可遠小于arcsin[L/Etan(δLkG/4)]，否則越野機器人在輪式向履帶式轉變時，會因履帶的角度位置不正確而顛倒。

在使用剛性履帶且張緊合適的情況下，履帶整體可等效為一個剛體，在通過垂直障礙時，前誘導輪的高度決定了能越過垂直墻的最高高度；而障礙的類型決定了越障時的障礙沖擊前叉臂的壓力角。前、后履帶中心扭轉角隨爬30°坡障礙百分比的簡化函數(shù)曲線(未計算慣性的影響)如圖4所示。在越野機器人以履帶運動的過程中，履帶可根據(jù)地形的變化而旋轉一定的角度，如圖5所示。這兩幅圖用于對利用此結構的越野機器人中板彈簧等局部結構進行優(yōu)化設計。

圖4 前、后履帶中心扭轉角隨爬30°坡障礙百分比的函數(shù)曲線

圖5 在不同地形上運動示意圖

4 輪履耦合運動與結構特性分析

輪履耦合結構的優(yōu)點體現(xiàn)在可以用輪式運動達到高速、低能耗的效果，利用履帶式運動以達到高越障能力、高通過性。其運動特性就在于這種移動機構可以依靠內部的結構完成輪式、履帶式轉化，而不是像普通輪履復合機構那樣帶有兩套臃腫的運動機構。所以該輪履耦合移動機構除了可以在路況較好的路面上快速移動外，也可在沼澤、廢墟和火場等惡劣地形上運動，以達到搜索、偵察、爆破等特殊任務；且更輕盈的結構可以提高加速度，減小能量損耗，提高續(xù)航能力，以達到節(jié)能減排的目標。

本文的結構圖中沒有畫出軸承，因較小的實物模型可利用減磨材料如特氟龍片等作為滑動軸承使用，若做成成熟的越野機器人結構需更改部分結構，如安裝法蘭等。由于本文介紹的結構中輪式運行時，車體與地面接觸的只有內輪板與外輪板，故只適合在比較平整且堅固的路面上運行。若遇到對越野要求不是特別高的地形，如較為濕潤的泥土路面等，就利用輪式運行，否則會導致嚴重下陷，甚至可能會損壞機械結構。若要提高輪式的通過性，則可提高內輪板與外輪板的厚度，也可做成孔板式或者輪輻式。

由于輪式運行時，接觸地面的壓強較大，故內輪板與外輪板要用強度較高的材料，例如表面硫化掛膠的高錳鑄鋼。

5 控制系統(tǒng)

5.1 系統(tǒng)概述

該輪履耦合式越野機器人控制系統(tǒng)分為手動控制與自主控制兩種方式。

手動控制采用手持終端遙控設備對機器人進行控制。該手持終端遙控設備采用2.4G無線通信模塊與機器人進行數(shù)據(jù)交互，通過獲取遙控面板信息將其轉換為規(guī)定數(shù)據(jù)包格式，并以指定通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)發(fā)送。機器人接收到相應幀數(shù)據(jù)之后將該數(shù)據(jù)按規(guī)定數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)解析，通過數(shù)據(jù)解析得到機器人運行速度、運行模式、運動方向等數(shù)據(jù)，最終通過解析得到數(shù)據(jù)對底層驅動進行相應控制。

自主控制通過遠端控制臺發(fā)送目標位置，機器人通過北斗衛(wèi)星、GPS模塊進行定位，通過獲取當前位置并結合接收到的目標位置來調用谷歌地圖或百度地圖API并實現(xiàn)路徑規(guī)劃來獲取路徑信息，最終通過控制電機來改變機器人的運動軌跡從而實現(xiàn)機器人的自主導航。機器人在運動過程中通過陀螺儀來進行姿態(tài)矯正。越野機器人通過樹莓派搭載OpenCV采集攝像頭數(shù)據(jù)進行圖像處理并配合外部光電傳感器對周圍路況進行分析來實現(xiàn)在行進過程中的自主避障。

5.2 硬件系統(tǒng)

為實現(xiàn)路徑規(guī)劃、自主導航、自主避障與越障功能，輪履耦合越野機器人的硬件電路各模塊需要結合其功能完成選型與設計，合理的硬件電路設計將為越野機器人的運動提供硬件保障。越野機器人的硬件電路總體設計思路如圖6所示，其主要模塊選型如下：

圖6 越野機器人的硬件電路總體設計思路

1) 主控制器：主控制器是機器人的核心，采用stm32系列單片機用于接收并處理各單元發(fā)送的信息，協(xié)調整機工作，并在執(zhí)行控制算法之后產(chǎn)生對應的信號發(fā)送給伺服電機等執(zhí)行設備，控制機器人的運行。

2) 電機與其驅動：該設計采用帶有modbus通信協(xié)議的直流電機驅動裝置與主控進行通信，具有較高的拓展性。

3) 避障系統(tǒng)：采用樹莓派搭載OpenCV采集攝像頭數(shù)據(jù)進行圖像處理具有較高的性能。OpenCV是開源的計算機視覺庫，具有強大的開源社區(qū)和一些內置函數(shù)供調用，并加入外部光電傳感器對周圍路況進行輔助檢測。

4) 陀螺儀：采用MPU9250九軸傳感器控制姿態(tài)MPU9250集成了三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸地磁計。其自帶的MPL(motion processing library)庫，只需將傳感器數(shù)據(jù)push到MPL lib，MPL會處理9軸數(shù)據(jù)，計算當前姿態(tài)角度，頻率最高可達200Hz。

5) SIM808通信與北斗、GPS模塊：SIM808是由SIMCOM推出的GSM+GPS+藍牙三合一組合模塊。北斗、GPS模塊結合了北斗、GPS技術來獲取當前經(jīng)緯度信息。它采用了行業(yè)標準的USART接口，可輕松通過USART與主控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

6) 電源模塊：電源正常供電是機器人各單元正常工作的前提。電機為24V電壓，該機器人的電源選用6s35C的鋰電池，并通過Sepic斬波電路進行穩(wěn)壓后送至伺服電機驅動器，在保證電機可以獲得可靠電壓的同時減少降壓帶來的能耗，并通過多路LDO線性穩(wěn)壓至各模塊工作電壓后送至各單元模塊進行供電。

5.3 軟件系統(tǒng)

該機器人整機通信采用modbus通信協(xié)議，主要分為主控制器、直流電機驅動裝器、無線接收板、視覺系統(tǒng)、電源系統(tǒng)部分。各部分均帶有RS485接口。

6 結語

輪履耦合式移動機構是一種十分有效的越障方式。然而，通常研究的輪履耦合機構由于要求履帶長度的變化，故只能裝備可變長度的柔性履帶，故導致強度、耐磨性、機械效率和適用性都較低。在通過高溫區(qū)域，或長時間在復雜區(qū)域運作時，會產(chǎn)生起火融化及過度磨損等問題。

本文提出的輪履耦合機構特別適用于小型、微型越野機器人，而且對動力要求不高的中大型越野機器人可將輪履變換的原動件裝入車輪中，利用無線通信或在軸周圍安裝電刷類的結構傳遞電力與信號。

筆者已完成以3d打印結構為主的樣車模型的制造與裝配，并完成了基本的運動實驗。但若要用于實際情況，需改變或添加部分結構(如連桿、軸承、法蘭等)，并以機加工為主進行加工制造。

本文論述的機構是在車輪內安裝了可以展開履帶的結構，機構內的部件都有確定的相對運動關系，且結構緊湊，強度高，耐高溫，耐磨。

如果要進一步對這個機構進行參數(shù)優(yōu)化設計，其重點在于輪板和叉臂。