輪腿式可變形車輪設(shè)計及整車控制研究

耿雪晴　吳孟武　華林

摘要：針對當(dāng)前復(fù)雜地形與路況對整車機(jī)動性及越障能力的需求，設(shè)計了一種輪腿式可變形車輪結(jié)構(gòu)，該車輪結(jié)構(gòu)可在不同地形與路況下進(jìn)行輪式與腿式的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。介紹了可變形車輪的設(shè)計原理并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計算與優(yōu)化，分析得到了輪腿式可變形車輪最大變徑比。設(shè)計了一套簡單有效的輪腿式可變形車輪智能變形控制系統(tǒng)，并據(jù)此開展整車布局設(shè)計，分析整車運動過程。制作并搭建了樣車平臺，通過實驗測試了整車的機(jī)動性與越障能力。結(jié)果表明該變形車輪可在輪式與腿式狀態(tài)下快速智能轉(zhuǎn)換，使得整車系統(tǒng)可同時在結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化路面穩(wěn)定行駛，具有較高的機(jī)動性與越障能力。

關(guān)鍵詞：可變形車輪；最大變徑比；智能轉(zhuǎn)換；整車控制

中圖分類號：TH122

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.007

Study on Design of Wheel-leg Deformable Wheel and Vehicle Control

GENG Xueqing WU Mengwu HUA Lin1，2

Abstract： In view of the demands of vehicle mobility and obstacle-crossing ability in complex terrain and road conditions， a deformable wheel structure was designed with the characteristics of switching between wheeled and legged states under different terrain and road conditions. The design principle of the deformable wheel was introduced and the structural parameters were calculated and optimized， the maximum diameter ratio of the wheel-leg deformable wheel was obtained. A set of simple and effective wheel-leg deformation control system was also designed. And then the vehicle layout design and movement process analysis was carried out. Finally， a prototype vehicle platform was made to verify the mobility and obstacle-crossing ability by physical experiments. The results show that the deformable wheel may be quickly and intelligently switched between wheeled and legged types， which enables the vehicle to run stably on both structured and unstructured roads， resulting in a high mobility and obstacle-crossing ability of the vehicle system.

Key words： deformable wheel； maximum diameter ratio； intelligently switch； vehicle control

0 引言

結(jié)構(gòu)化路面一般是指背景單一的城市干道或高速公路，而類似山石地形、沙坑泥濘路面等無法預(yù)估且多變的路面則稱為非結(jié)構(gòu)化路面［1］?，F(xiàn)有車輛通常采用輪式車輪或履帶式車輪，其中輪式車輪多適用于結(jié)構(gòu)化路面，行駛速度快且平順性好，但難以穿越復(fù)雜地形與路面；而履帶式車輪多行駛于山石地形，具有高機(jī)動性，但越障能力不足，且速度與平順性較差。因此，當(dāng)前車輛難以同時滿足快速、高機(jī)動性與越障能力強(qiáng)、平順性好等要求。而在軍事偵察或自然災(zāi)害（如泥石流、地震等）救災(zāi)搶險場景中，車輛通常面臨復(fù)雜的地形與路況［2-3］。隨著機(jī)構(gòu)學(xué)與控制技術(shù)的不斷發(fā)展，可變形車輪的概念應(yīng)運而生。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的車輪不同，可變形車輪可以在不同地形與路面上進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，而裝載有這種可變形車輪的整車綜合性能如機(jī)動性與越障能力等得到大幅提高，因此可變形車輪及其整車的設(shè)計與控制成為當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點［4-6］。

已有研究中將可變形車輪分為多種類型，按復(fù)合方式可分為足履復(fù)合式、輪履復(fù)合式、輪足復(fù)合式；按外形結(jié)構(gòu)則分為固定結(jié)構(gòu)異形車輪及動態(tài)變形車輪［7］。國外對可變形車輪的研究較早，如以色列埃爾比特系統(tǒng)公司的“VIPER”輪履復(fù)合式變形車輪，其履帶可變形收縮成三角形，便于穿越山石地形［8］；日本東京工業(yè)大學(xué)的“Roller-Walker”輪足復(fù)合式變形車輪在四條腿末端加裝被動輪用以實現(xiàn)輪式滾動或腿式移動，從而可在不同路面上行駛［9］；日本大阪大學(xué)也提出了一種具備輪足兩種形態(tài)的變形車輪，通過重構(gòu)將輪式轉(zhuǎn)變?yōu)樽闶剑?0］；加拿大舍布魯克大學(xué)的“AZIMUT”足履復(fù)合式變形車輪采用搖桿式腿式設(shè)計并在每條腿上加裝履帶［11］；日本千葉工業(yè)大學(xué)的“Quince”同樣采用的是足履式設(shè)計，將車輪設(shè)計成一種擺臂形式［12］；而美國佐治亞理工學(xué)院則設(shè)計了“仿蜥蜴式”單片弧形結(jié)構(gòu)異形車輪［13］。國內(nèi)一些高校和研究機(jī)構(gòu)也針對可變形車輪及其整車開展了相應(yīng)研究，如孫鵬［14］研制的裝有輪履復(fù)合式變形車輪的森林巡防整車系統(tǒng)、范明聰?shù)龋?5］研制的新型六輪腿機(jī)構(gòu)、田潤等［16］研制的采用三根弧形輻條組成的輪腿式異形車輪、王書琦等［17］研制的“仿蜘蛛式”四足仿生車輪結(jié)構(gòu)以及CHEN等［18］研制的TurboQuad系列變形車輪。

通過分析以上多種類型的可變形車輪可以看出，固定結(jié)構(gòu)異形車輪如仿生式弧形結(jié)構(gòu)車輪越障能力強(qiáng)且可以緩沖減振，然而由于其不具備完整輪形，在結(jié)構(gòu)化路面上行駛時速度較慢、平順性較差，且當(dāng)整車移動時，由于其輪式狀態(tài)不規(guī)則，容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。在動態(tài)變形車輪中，輪履復(fù)合式車輪既具備了輪式的快速移動特性，也兼具了履帶的高機(jī)動性，但其越障能力有限，環(huán)境適應(yīng)能力較差，且狀態(tài)切換比較復(fù)雜，難以在短時間內(nèi)迅速切換；足履復(fù)合式車輪的穩(wěn)定性好、越障能力優(yōu)良但運行不夠靈活；而輪足復(fù)合式車輪具有優(yōu)越的越障及環(huán)境適應(yīng)能力，但已有研究中其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，控制不夠簡便，且當(dāng)其切換為足式時，輪式通常不能收起，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)繁雜不便。因此，開展輪足復(fù)合式可變形車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其整車控制研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用前景［19］。

基于輪腿（足）式可變形車輪的優(yōu)點，本文設(shè)計了一種可變形車輪結(jié)構(gòu)，該車輪結(jié)構(gòu)可以在輪式和腿式之間自由轉(zhuǎn)換，以同時適應(yīng)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化路面。在可變形車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)計算與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研究車輪自主變形觸發(fā)方式及其整車控制策略，制定整車布局方案。最后，制作并搭建實物樣車平臺，通過實驗驗證整車性能。

1 輪腿式可變形車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

輪腿式可變形車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計是優(yōu)化整車越障能力和運動穩(wěn)定性的基礎(chǔ)及關(guān)鍵，對整車綜合性能如平順性、機(jī)動性及越障能力等具有重要的意義。

1.1 車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前關(guān)于輪腿式可變形車輪的基本構(gòu)型主要分為三類：曲柄連桿（或曲柄滑塊）型［20］、銷槽型［21］、四連桿型［22］。其中，銷槽型結(jié)構(gòu)摩擦力大且變形不易，四連桿型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而曲柄連桿型的結(jié)構(gòu)最為簡單有效。研究對心曲柄連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)型發(fā)現(xiàn)，可以將滑塊的往返直線運動轉(zhuǎn)換為曲柄的回轉(zhuǎn)運動，圖1所示為對心曲柄連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)型原理。曲柄在OA′C′與OAC之間做往復(fù)旋轉(zhuǎn)，通過連桿帶動滑塊在B′與B之間做往復(fù)運動。分析可知，改變滑塊位置可以改變車輪的狀態(tài)，使得車輪直徑發(fā)生變化，從而得到車輪腿式狀態(tài)下的等效直徑與圓輪狀態(tài)下直徑之比，即變徑比。而變徑比是衡量整車越障能力的重要指標(biāo)。因此，本文最終選用對心曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為所要設(shè)計的可變形車輪的基本構(gòu)型。

確定基本構(gòu)型后，進(jìn)行可變形車輪結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計。綜合考慮輪式與腿式結(jié)構(gòu)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的簡便性以及腿式車輪運動的平穩(wěn)性，車輪在圓輪狀態(tài)下分為三段，對應(yīng)腿式狀態(tài)下的三條輪腿。圖2所示為設(shè)計的輪腿式可變形車輪詳細(xì)結(jié)構(gòu)，可以看出可變形車輪主要包括內(nèi)輪輻、外輪輻、連桿、拉桿、輪腿五個部分，整體呈軸對稱形式。基于對心曲柄連桿構(gòu)型，圖2中內(nèi)輪輻即為構(gòu)型中的曲柄部分，以連桿與輪腿連接點作為滑塊部分，并在外輪輻結(jié)構(gòu)中設(shè)置直槽，使得滑塊在槽內(nèi)往復(fù)直線運動，結(jié)合拉桿與輪腿的連接作用，通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)輪輻即可以實現(xiàn)車輪在輪式與腿式狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。為了減小摩擦，提高可變形車輪狀態(tài)轉(zhuǎn)換的靈活性與可靠性，各部件之間采用鉸鏈連接形式，并在輪腿與連桿連接處加裝軸承，使得滑塊在直槽內(nèi)往復(fù)運動更為靈活。同時為避免可變形車輪在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)過度變形而造成車輪機(jī)構(gòu)鎖死或干涉，在內(nèi)輪輻輻條頂處設(shè)計了限位凸臺。

本文設(shè)計的輪腿式可變形車輪以圓輪狀態(tài)為源結(jié)構(gòu)，圖3為可變形車輪結(jié)構(gòu)變形前后示意圖，固定外輪輻不動，通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)輪輻使得內(nèi)外輪輻發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，并通過內(nèi)輪輻的旋轉(zhuǎn)帶動連桿推動滑塊在外輪輻直槽內(nèi)直線運動，輪腿另一側(cè)通過拉桿固定，最終切換成圖3b所示的腿式狀態(tài)。

1.2 車輪結(jié)構(gòu)參數(shù)計算與優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計的可變形車輪結(jié)構(gòu)，外輪輻直槽頂點位置不能超過車輪在圓輪狀態(tài)下的輪腿外緣面，且根據(jù)對心曲柄連桿構(gòu)型原理，滑塊運動極限位置即為曲柄連桿處于一條直線上時連桿頂點處的位置，此時車輪輪腿可展開程度達(dá)到最大，也即此時輪腿式可變形車輪變徑比取得最大。圖3中，A（B）、B′（A′）、B″（A″）三點為內(nèi)輪輻三個支點，C點為銷槽極限位置點，E、D兩點分別為單輪腿前后端點，E′、D′點為輪腿展開后端點，且D′點為輪腿展開最高點?？勺冃诬囕喗Y(jié)構(gòu)在任何時候都呈軸對稱形式，三條輪腿是等效的，且同步變形，因此選取其中一個輪腿進(jìn)行參數(shù)計算即可。

由式（6）可看出β達(dá)到最大值時，輪腿可展開至最大幅度，此時可變形車輪變徑比最大。由于拉桿E′F限制，β最大約為145°，由此計算式（4）中的變徑比λ可得最大變徑比約為1.8，表明該輪腿式可變形車輪展開后車輪等效直徑為圓輪的1.8倍，因此本文所設(shè)計的輪腿式可變形車輪具有優(yōu)越的越障能力。

2 整車控制與布局

2.1 整車控制

為提高整車機(jī)動性及靈活性，并簡化輪腿式可變形車輪變形控制方式，需要設(shè)計一套變形觸發(fā)裝置控制車輪在輪式與腿式之間轉(zhuǎn)換。如圖4所示，整個觸發(fā)裝置主要由電機(jī)、驅(qū)動齒輪、鎖定軸、內(nèi)輪輻聯(lián)軸器以及微型電磁離合器組成。當(dāng)整車在結(jié)構(gòu)化路面上行駛時，微型電磁離合器不通電吸合，外輪輻未鎖定，電機(jī)驅(qū)動齒輪帶動內(nèi)輪輻轉(zhuǎn)動，外輪輻隨之同步轉(zhuǎn)動，內(nèi)外輪輻不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，此時可變形車輪處于圓輪狀態(tài)；當(dāng)整車處于非結(jié)構(gòu)化路面，如遇到山石地形或者沙坑泥濘路面時，微型電磁離合器通電吸合，通過鎖定軸鎖定外輪輻，電機(jī)驅(qū)動齒輪帶動內(nèi)輪輻轉(zhuǎn)動，內(nèi)外輪輻發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，當(dāng)內(nèi)輪輻轉(zhuǎn)過120°后，可變形車輪轉(zhuǎn)換為腿式狀態(tài)，此時驅(qū)動整車跨越障礙或其他復(fù)雜地形。這種觸發(fā)機(jī)制可以有效實現(xiàn)可變形車輪在輪式與腿式之間的轉(zhuǎn)換，且不增加額外驅(qū)動，簡化控制方式。

整車選用Robomaster C板作為電機(jī)控制器，Robomaster C板采用高性能STM32主控芯片，并選用M3508電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，單電機(jī)的最大扭矩可達(dá)5 N·m，減速后額定轉(zhuǎn)速為469 r/min，持續(xù)扭矩可達(dá)2.8 N·m，符合整車運動特性要求。根據(jù)整車車輪分布式驅(qū)動需求，選用了C620電調(diào)，參考其原理，可變形車輪整車底層控制采用CAN總線技術(shù)。

圖5所示為輪腿式可變形車輪整車控制系統(tǒng)架構(gòu)。根據(jù)設(shè)計的可變形車輪變形觸發(fā)裝置，需要加裝可以控制微型電磁離合器吸合的器件。結(jié)合可變形車輪智能自主變形的需求，選擇超聲波傳感器用以識別整車在行進(jìn)過程中遇到的復(fù)雜地形或障礙物，進(jìn)而將信號轉(zhuǎn)化為電信號傳遞給延時繼電器用以控制電磁離合器的吸合，從而自主判斷并完成車輪變形動作。圖6為超聲波傳感器探頭及其安裝位置示意圖，探頭安裝在車架前端位置，2個超聲波傳感器采集的信號分別用于控制左右兩邊車輪的變形。

2.2 整車布局

整車采用左右對稱式布局，前部裝有兩個輪腿式可變形車輪，兩后輪則采用普通結(jié)構(gòu)圓輪，可以支撐整個車架部分。圖7所示即為前部裝有兩個輪腿式可變形車輪的整車系統(tǒng)，車架部分設(shè)計成前低中高后低的結(jié)構(gòu)形式，提高了整車底盤的通過性。另外，車架部分多處挖空可以有效減小整車質(zhì)量。

確定好整車的控制系統(tǒng)及布局后，分析輪腿式可變形車輪整車運動過程。圖8所示為整車遇到障礙后，通過智能控制執(zhí)行車輪變形動作，車輪轉(zhuǎn)換為腿式后翻越障礙物的過程，整個過程可分為以下4個步驟：

（1）圓輪狀態(tài)車輪行駛到障礙物前一定距離，當(dāng)此距離小于超聲波傳感器設(shè)定的距離時，超聲波傳感器發(fā)送電信號觸發(fā)車輪變形；

（2）微型電磁離合器吸合，通過鎖定軸鎖定外輪輻，此時驅(qū)動電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動引起內(nèi)外輪輻的相對轉(zhuǎn)動，使得車輪由圓輪模式變換成輪腿模式；

（3）車輪變換到輪腿模式極限位置后，驅(qū)動電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動，帶動變形輪往上攀爬，直至整車越過障礙物；

（4）車輪越過障礙物后，通過電機(jī)反轉(zhuǎn)，在整車自身重力作用下使車輪由輪腿模式轉(zhuǎn)變成圓輪模式，然后電機(jī)正轉(zhuǎn)繼續(xù)前行。

3 樣車搭建與實驗測試

為使整車搭建更簡便靈活，同時不影響整車設(shè)計功能，樣車制作時采用了3D打印工藝加工完成主要部件，如車身、車架、兩后輪等。對于強(qiáng)度及配合精度要求較高的部件，如驅(qū)動軸、傳動軸、變形車輪以及齒輪等，則采用鋁合金材料機(jī)加工制作而成。整車模型運用CATIA三維軟件繪制如圖9所示，整車平臺相關(guān)參數(shù)詳見表1。樣車實驗主要對整車的設(shè)計功能和性能進(jìn)行驗證，包括可變形車輪輪式與腿式狀態(tài)智能自主轉(zhuǎn)換的動作穩(wěn)定性、響應(yīng)時間以及整車的越障能力等。

圖10為輪腿式可變形車輪實物圖，其中圖10a所示為可變形車輪的圓輪狀態(tài)，圖10b所示為可變形車輪的腿式狀態(tài)。將可變形車輪裝車后進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制實驗，其變形過程與前述理論分析一致，實驗結(jié)果表明本文設(shè)計制作的輪腿式可變形車輪能夠靈活完成其主動變形，輪腿式狀態(tài)轉(zhuǎn)換可在1.5 s內(nèi)完成。

整車越障實驗過程如圖11所示，可以直觀地反映整車越障能力。以距障礙物500 mm處作為

整車起始位置，對整車越障過程中整車移動距離、可變形車輪半徑變化及所對應(yīng)的時間進(jìn)行測算，并根據(jù)測算結(jié)果繪制出圖12。

結(jié)果顯示，整車整個越障過程耗時4 s，可分為以下四個階段：

（1）0～0.5 s，圓輪正常行駛及輪腿式觸發(fā)階段。整車上的超聲波傳感器檢測到車身與障礙物的距離在300 mm內(nèi)時，信號傳遞給主控制器，觸發(fā)可變形車輪變形機(jī)制，開始進(jìn)入輪腿式狀態(tài)轉(zhuǎn)換階段。

（2）0.5～1.5 s，變形階段。電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，內(nèi)外輪輻發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，促使車輪持續(xù)變形，可變形車輪完成由輪式向輪腿式的轉(zhuǎn)換。

（3）1.5～3.0 s，越障階段。整車車輪在輪腿模式下，電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，變形輪腿越過障礙物，繼而帶動整車越過障礙物。

（4）3.0～4.0 s，變形恢復(fù)階段。整車越過障礙物后，電機(jī)反轉(zhuǎn)，可變形車輪依靠整車自重由輪腿式恢復(fù)至輪式，然后電機(jī)正轉(zhuǎn)整車向前行駛。

上述實驗結(jié)果表明，基于本文設(shè)計的輪腿式可變形車輪智能變形控制系統(tǒng)，樣車在遇到障礙物后能夠快速觸發(fā)并完成可變形車輪的智能自主變形，然后帶動整車翻越障礙，大大提高整車的機(jī)動性與越障能力。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種可變形車輪，該車輪結(jié)構(gòu)簡單，能夠在輪式與腿式之間靈活轉(zhuǎn)換，可變形車輪最大變徑比可達(dá)1.8。同時設(shè)計了一套簡單有效的輪腿式可變形車輪智能變形控制系統(tǒng)，不需要增加額外驅(qū)動，能夠快速實現(xiàn)可變形車輪在輪式與腿式之間的智能自主轉(zhuǎn)換。實物樣車搭建與測試結(jié)果表明，可變形車輪能夠在1.5 s內(nèi)靈活完成輪腿式狀態(tài)轉(zhuǎn)換，樣車在4 s內(nèi)完成越障過程，機(jī)動性與越障能力較高。

鑒于本文所設(shè)計及制作的樣車僅兩前輪采用可變形車輪，兩后輪仍設(shè)計為普通圓輪形式，因此在越障高度上具有一定的局限性。后續(xù)將對樣車進(jìn)行改進(jìn)，整車四輪均加裝可變形車輪并采用不同高度的障礙物對樣車進(jìn)行越障測試。此外，對于超高障礙物，后續(xù)將研究并加裝自動避障與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高整車在復(fù)雜地形與路況下的機(jī)動性及越障能力。

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（編輯 王艷麗）

作者簡介：

耿雪晴，女，1998年生，碩士研究生。研究方向為現(xiàn)代汽車設(shè)計與制造。

吳孟武（通信作者），男，1984年生，副教授。研究方向為汽車輕量化設(shè)計與成形制造技術(shù)、汽車循環(huán)利用與再制造技術(shù)、特種制造與智能制造技術(shù)。E-mail：wumw@whut.edu.cn。

收稿日期：2022-05-08

基金項目：教育部創(chuàng)新團(tuán)隊計劃（XDQCKF2021011）；新能源汽車科學(xué)與關(guān)鍵技術(shù)學(xué)科創(chuàng)新引智基地項目（B17034）