行星展收式可重構輪-履復合車輪變形機制研究

中圖分類號：TH122 DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.07.012

0 引言

地面特種移動機器人可廣泛應用在抗險救災、執(zhí)行軍事任務等領域，其所面臨的大多是非結構化的工作環(huán)境。地面通過性是評價機器人運動性能的關鍵指標。因而，如何提高非結構化復雜環(huán)境下移動機構的通過性，一直以來都是國內外學者的研究熱點。常見的移動形式主要有輪式、履帶式、腿式7-8和復合式。輪式機構通過1個或多個輪子與地面滾動摩擦2-4進行移動，主要應用在硬質道路和平地環(huán)境中；在泥濘、雪地和沙地等惡劣地形條件時，易出現(xiàn)打滑、沉陷等狀況。履帶移動形式分為雙平行履帶式、雙鰭狀履帶式、四履帶式8-9、六履帶式[]、八履帶式[等，主要用于沙漠、雪地和不平坦的地面環(huán)境中，履帶移動速度較慢，能量消耗大，且機動性差。腿式機構主要用于不平坦的地形和障礙物環(huán)境[1]123-126，相較于輪式和履帶式移動機構，具有較強的地面適應性，但其機械和控制系統(tǒng)復雜，能耗利用率較低，維護成本較高；同時，足部末端與地面接觸面積小，在泥濘、沙地和雪地等地形中容易出現(xiàn)打滑和沉陷狀況。復合式移動機構由輪子、履帶或者腿式機構組合而成，包括輪-履式[12]、輪-腿式[13]、腿-履式[14]和輪-履-腿式[15-17]

特種機器人在復雜環(huán)境下執(zhí)行任務時，既要有足夠的移動速度，又要兼具脫困能力。復合式移動機構則具備了單個運動模式的優(yōu)點，是機器人在特殊環(huán)境下運動的最優(yōu)選擇。德軍SDKFZ254輪履混合裝甲車[18]30-32裝載了輪履互換式移動機構，可在快速移動時收起履帶，復雜路面時懸空輪子，使履帶與地面接觸。擁有類似機構的還有輪履雙臂救援機器人[18]65-70。該款機器人機構煩瑣且體積龐大，移動靈活性非常差。載貨爬樓車以及輪履組合式爬樓輪椅[也應用了輪履組合式移動機構。其原理是將輪履移動模塊結合，使得輪椅爬樓梯的性能得到提高。但該結構僅能用于上、下樓梯，不具備快速移動功能。SOUCYTRACK三角履帶輪的悍馬H2四履帶輪雪地車2可在運動過程中實現(xiàn)運動模式的切換；但該機構體積龐大，切換動力系統(tǒng)的機構包含液壓和電動機驅動，控制切換系統(tǒng)異常復雜。以色列埃爾比特系統(tǒng)公司研發(fā)了一款名為“毒蛇（VIPER）”的便攜式機器人，質量為 10kg ，空載時最高運動速度為 7.9km/h^[21] 。該機器人底盤布置了兩條移動履帶和多個行走輪，可適應多種復雜環(huán)境，但該款機器人不具備輪履切換功能。

陸軍軍事交通學院和天津理工大學相繼開發(fā)出變形輪[22]。這兩款變形輪結構較為相似，均由腹板伸縮機構、液壓驅動機構和可變形履帶組成，由液壓系統(tǒng)提供切換動力。哈爾濱工業(yè)大學研制了輪履變結構式反恐機器人，采用雙曲柄機構實現(xiàn)運動模式的展開與回收[23]。當前的輪履可重構式移動機構大多通過改變履帶的長度、增加支承來實現(xiàn)從輪式到履帶式的轉變。兩種模式切換過程中，履帶長度變化較大，通常采用彈簧等彈性元件進行補償。該方式會造成系統(tǒng)結構設計復雜、可靠性降低。

本文提出了一種無須彈性補償元件且運動模式自由切換的輪履可重構車輪。車輪模式時移動方式為整體轉動；履帶模式時，通過行星傳動實現(xiàn)末端滾輪帶動履帶周轉的運動。系統(tǒng)無須停車即可實現(xiàn)9種運動模式的切換。

1 可重構車輪結構設計

1. 1 系統(tǒng)組成

變形輪系統(tǒng)如圖1所示，主要由行星展收機構、傳動機構、離合機構等組成，總體尺寸為 200mm× 200mm×120mm 。行星展收機構通過直線電缸將末端主支承輪頂起，實現(xiàn)圓形到三角形輪帶的切換。在變形輪變形過程中，行星展收機構的3個齒輪始終處于嚙合狀態(tài)，從而將動力傳輸?shù)捷喚?，實現(xiàn)履帶的周轉。直線驅動機構為變形提供外展、內收動力。離合機構為履帶的周轉與自轉提供動力。

1.2 運動模式

可重構車輪適用于不同的移動應用場景，運動模式設計為9種，如圖2所示。

根據(jù)車輪的設計尺寸、動力元件選型及試驗測試，9種運動模式參數(shù)如表1所示。

1.3 變形機構

變形機構由車輪機架、多個支承輪、3組滑塊、6組搖桿、3個同步履帶滾輪構成，如圖3所示。圓形到三角形運動形態(tài)過渡時，車輪機架1上面安裝直線電缸，通過電缸將驅動輪頂出，帶動輔助輪收回，實現(xiàn)圓形到三角形運動模式過渡。反之，則由三角形過渡到圓形運動形態(tài)。

1.4行星展收傳動機構

行星展收機構如圖4所示。電動機旋轉，通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉，固連在主軸上的大齒輪1帶動小齒輪1反向加速旋轉，與小齒輪1固連的大齒輪2帶動小齒輪2反向加速旋轉；傳動過程中，4組齒輪連桿分別保證兩對齒輪能正確嚙合；同步履帶滾輪通過從動軸與小齒輪2固連，帶動履帶運動。

1.5 離合機構

變形輪在輪履模式中的切換，需要通過離合機構來實現(xiàn)，離合機構如圖5所示。電動機帶動絲杠轉動，滑塊上、下移動，最終通過連桿帶動摩擦片實現(xiàn)與主軸的切換。其中，摩擦接觸面的摩擦因數(shù)為μ_cl ；相互作用力為 N_cl ；電動機G1提供的轉矩為 T_G1 螺母導程為 h ；摩擦半徑為 r_cl 。

由擺桿擺動引起的摩擦片的橫向移動 δx_cl 為

δx_cl=δθ_cll₅sinθ_cl

摩擦片貼合狀態(tài)下，相互之間支持力 N_cl 為

驅動轉矩 T_cl 為

由式（5）可知，在保證離合機構總體尺寸不變大的情況下，減小 h 、 l_s 或 θ_cl ，均可增大離合器的輸出轉矩。這一結論可為輪-履模式切換時離合器的驅動轉矩選擇提供參考。

2 變形機制

可重構車輪在輪-履切換過程中，履帶應始終處于最佳的應變均值內，即在變形前后周長保持不變，確保車輪不會因履帶被過度拉扯而影響使用壽命。本節(jié)就變形機制進行分析。首先，確定初始狀態(tài)履帶長度；其次，計算連桿轉角；最后，確定變形中心位置與連桿轉角關系。

2.1 初始履帶長度的確定

變形過程初始條件為履帶長度保持不變。圖6所示為變形機構工作原理。過 J 點的履帶分段始終與 X 軸平行。

螺紋旋轉角 φ 與導程 h 的關系為

δθ_cl 為螺母移動引起的擺桿角度變化，除了和 δh 有關，還與驅動連桿的長度 l_1y l₂ 、 l₃ 和 l₄ 有關，即

δθ_el=f_el（l₁，l₂，l₃，l₄）δh

履帶長度 l_track 為

（6）

式中， 為 P 點到 L 點之間的弧長； 為 M_i 點到 I_i 點的弧長； ∣LM₁∣ 為 L 點到 M₁ 點的直線距離; |I_j-1M_j| 為 M_j 點到 I_j-1 點的直線距離； ∣I₄J∣ 為 I₄ 點到 J 點的直線距離。

用 （x_Hi，y_Hi） 和 （x_F，y_F） 分別表示 H_i（i=1，2，3，4）和 F 的坐標，根據(jù)幾何關系整理得

其中，

θ₃=∠PFH₁-∠NFH₁=iπ+（-1）ⁱ.

在初始狀態(tài)（滑塊行程 s=0 ）下， H_i 坐標為 ，2，3，4。變形輪初始坐標值如表2所示。

將表2中的初始數(shù)據(jù)代入式（7），可得到滑塊行程 s=0 時，履帶的長度為 104.5mm 。

分析變形機構變形前后履帶長度基本保持不變的條件，僅需研究不同A、 D 坐標對履帶長度的影響。

當滑塊行程 sgt;0 時，令坐標系 XOY 跟隨點 E 移動。點 E 、 F 固定，4個支承輪跟隨連桿 DE 繞點 E 旋轉，初始輪中心 O₀ 固定在機架上朝 OF 方向的反方向移動，如圖7所示。

2.2連桿 DE 旋轉角確定

在 s 值一定時，分析連桿 DE 繞點 E 的旋轉角 Δθ 對履帶周長的影響。注意到，當 Δθ 處于不同范圍內時，其表達式各不相同。設 θ₄^?0=0，θ₉^?0=π/3rad 1，整理得到履帶長的通用表達式，若 Δθ∈（θ_n⁰ ， θ_n+1⁰] ， n= 4，5，6，7，8。其中，當輪 H₄ 未離開履帶時， n= 4；以此類推，當 H₁ 離開履帶時， n=8 。

H_i 的坐標（ i=1 ，2，3，4）分別為

其中，

則履帶長度 l_track 與連桿 DE 旋轉角 Δθ 的函數(shù)關系如圖8所示。當 s=10mm 時，分析 l_track 與連桿 DE 旋轉角度 Δθ 的關系。當固定滑塊移動距離 s=10mm 時，履帶長度隨 Δθ 的增加而平滑變短；當達到 θ₈⁰ 時保持不變，與現(xiàn)實情況相似； Δθ=17.02^° 交點處于θ₅⁰ 的右側，說明此時支承輪 H₄ 已經離開履帶。與地面的接觸面積由 H₃ 的橫坐標，即 x_H3 確定。將 Δθ= 17.02^° 代入式（10）可得到

變形前后的觸地面積比 T_dar 為

由式（12）可知，變形后輪胎的觸地面積大幅增加，可有效地提升防滑能力。若要獲得更大的觸地面積，需要曲線 l_track 與曲線 的交點橫坐標變大，即車輪直徑與滑塊有效行程的比值需要增大。

2.3變形機構中心坐標確定

連桿旋轉角確定后，分析坐標點A、 |DE| 、 |AD| 和 s 的值對 Δθ 的影響。以 C 點為原點，向量 l_cB 為 y 軸，以 s（s≠0） 為單位長度建立坐標系。在此坐標系下， A 點坐標記為 ，與 XOY 坐標系下的坐標 的變換關系為

式（13）對坐標點 D 也同樣適用，由幾何關系可知

其中， i=0 時，滑塊移動距離為 0 i=1 時，滑塊移動距離為s，則△θ=0li=，-0l=0°

研究 Δθ 的可達條件：首先，假設 A^c 點固定，將|DE|^c 與 |AD|^c 作為自變量， Δθ 作為因變量。 |DE|^c 與|AD|^c 所在區(qū)域滿足以下條件

在區(qū)域范圍內存在一個 Δθ 最大值，記作 Δθ_max 。對于每一個 A^c 點都對應一個唯一的 Δθ_max 。以 x_A^C 為 X 軸， y_A^C 為 Y 軸， Δθ_max 為 Z 軸，建立笛卡兒坐標系。Δθ 的可達條件為： Δθ_max?17.02^° 。使用Counter函數(shù)計算，當 Δθ_max=17.02^° 時，可以確定 |DE|^c 為4.068， |AD|^c 為3.93，由此時 可以確定 ∣DE∣= 40.68mm ， ∣AD∣=39.3mm ； A 點實際坐標 x_A= 7.24mm ， y_A=43.86mm 。

通過Matlab軟件仿真可知， Δθ_max 與 A 點坐標的關系如圖9所示。構建機器人結構模型后，變形機構中心坐標在以 C 為原點的相對坐標系下數(shù)值為： x_A^c= 2.9， y_A^C=5.7 ；可求得連桿旋轉角 Δθ_max=64.82^° ，滿足 Δθ 的可達條件 Δθ_max?17.02^° 。

3 試驗測試

3.1履帶變形量測試

變形輪整體支架采用尼龍材料打印而成；履帶通過非標定制，外側為防滑胎紋，內側設有同步齒形；供電線路與外界電源通過滑環(huán)連接。組裝變形機構、離合機構、制動機構及控制系統(tǒng)，即可得到變形輪機構，如圖10所示。

為驗證數(shù)字化模型的正確性，對履帶變形前、后進行周長測量，如圖11所示。測量得到，變形機構輪履變形前后周長分別為623.7、 625.5mm ，周長變化率 Sl_track=（625.5-623.7）/625.5≈0.29% ，結果在制造精度充許的誤差范圍內。

3.2 運動模式切換測試

變形輪面向不同運動場景，需要切換不同運動模式。變換時間是影響變形輪適應性的最關鍵因素。運動模式試驗分為三角履帶到輪式轉變和輪式到三角履帶轉變兩種類型。

在三角履帶式到輪式轉變過程中，將變形輪設置為三角形履帶形態(tài)[圖12（a]，此狀態(tài)下用12V的電壓激勵主電動機，電動機通過聯(lián)軸器、主軸和轉動機構帶動上方的同步履帶滾輪旋轉，從而帶動履帶運動；控制器發(fā)出變形指令，變形機構回縮圖12（b）]；當變形機構完全回縮時，車輪以圓形履帶的形式運動[圖12（c）]，觸發(fā)限位傳感器，周轉鎖定機構絲杠回縮，車體機架與車輪機架取消相對固定，離合電動機旋轉，離合機構摩擦片與齒輪摩擦片接觸，傳動機構與車輪機架相對固定，車輪變?yōu)橐粋€整體，主電動機直接帶動車輪持續(xù)轉動[圖12（d）]。三角履帶到車輪模式試驗的切換時間如表3所示。

在輪式到三角履帶轉變過程中，控制器發(fā)出變形信號，檢測到定位槽未到位，不給予動作[圖12（e）];待檢測到定位槽隨輪體將要轉動到正確位置，周轉鎖定機構啟動，彈簧積累勢能；離合機構啟動，摩擦片與齒輪片分離，車體機架與傳動機構取消相對固定[圖12（f]；車輪繼續(xù)轉動，定位槽到達正確位置，周轉鎖定機構定位銷插入定位槽中，車體機架與車輪機架完成相對固定，主軸動力通過傳動機構帶動履帶運動[圖12（g）]；檢測到定位銷成功定位，變形機構啟動，電缸伸出[圖12（h）]，到位后回到三角履帶形態(tài)[圖12（i]。車輪模式到三角履帶切換試驗測試時間數(shù)據(jù)如表4所示。

由表3、表4可知，變形回縮平均時間為 0.32s ，變形外伸平均時間為 0.49s ，離合鎖定平均時間為1.01s，離合分離平均時間為 0.88s ；變形時間比離合時間稍短。變形機構為直線電缸，響應速度相對較快；離合機構通過絲杠驅動，效率較低。變形外伸時間相對收縮時間較長，外伸時需要克服履帶和自身重力。離合分離時間相比鎖定時間較短，原因在于蓄能釋放補充能量，增加分離轉矩，完成摩擦片瞬間脫離。

3.3不同地面的速度測試

搭建變形輪鋁型材機架，框架下側有輔助輪，驅動電動機支架安裝在型材上面。驅動系統(tǒng)、電源、支架、變形輪、控制系統(tǒng)總質量為 9.2kg ，驅動電動機的輸入電壓設定為 12V 。以地板、泥土、沙土3種環(huán)境測試車輪在輪式模式和履帶模式的移動速度，泥土材料為田園土，含水率為 25% ，厚度為 60mm 沙土為建筑用沙，厚度為 60mm 。以圖12中的輪式（d）和三角履帶式（a）模式為例，開展試驗測試，如圖13所示。3種地面的測試結果如表5所示。

由試驗結果可知，輪式和履帶式在普通干路面上勻速行駛時的行駛速度相差不大，輪式比履帶式速度高 5.01% 。這是由于履帶式比輪式要多克服傳動機構中各個零件的摩擦阻力。

3.4不同地面的通過性測試

壁面的通過性主要體現(xiàn)在車輪與壁面的摩擦因數(shù)。測試平臺如圖14所示，測試地面分別為平地、泥地和沙地。測試時，拉力計一端固定在車輪上，一端固定在固定柱上，啟動車輪，測試最大靜摩擦力，進而求得摩擦因數(shù)。試驗結果如表6所示。在3種不同材質的地形中，當處于同一運動模式時，平地的靜摩擦因數(shù)最大，泥地、沙地次之。在平地運動時，履帶式摩擦因數(shù)比輪式摩擦因數(shù)高 30% ；泥地高 46% ；沙地高 56% 。相比履帶模式，隨著路況下降，地面通過性顯著增加，這使得車輪能夠更好地應對泥濘或沙地等復雜路面。

4結論

1）提出了一種無須彈性補償元件的輪-履可重構變形輪，并對變形輪展收變形機構、離合機構、傳動機構系統(tǒng)組成進行深入剖析；設計了變形輪面向路面類型可實現(xiàn)的9種運動模式。

2）建立了變形過程中的幾何模型，研究變形機制，分析影響履帶前后長度變化的因素，如連桿長度、變形機構中心坐標、連桿旋轉角，得到 Δθ 的可達條件： Δθ_max?17.02^° 。連桿長度 ∣DE∣=40.68mm ，∣AD∣=39.3mm ， A 點實際坐標 x_A=7.24mm， y_A= 43.86mm ，得到連桿旋轉角 Δθ_max=64.82^° 。

3）搭建了試驗平臺，測試變形輪在不同場景下的變換模式。變形輪周長變化率為 0.29% 。并對不同地面特征下車輪的速度、通過性進行了測試。測試結果表明，輪式模式在平地、泥地以及沙地的移動速度比履帶稍快；在通過性方面，在平地運動時，履帶式摩擦因數(shù)比輪式摩擦因數(shù)高 30% ；泥地高 46% 沙地高 56% 。該變形輪能夠適應多種復雜路面。

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Research on the deformation mechanism of reconfigurable wheel-tracked wheel with planetary expansion and retraction

LIU Jinful2 LI Zelin3XULinsen4JIANG Zhengyan1SHENPenghui' （1.SchoolofIntelligentControl，ChangzhouVocational InstituteofIndustryTechnology，Changzhou21364，China） （2.School ofAutomation， Southeast University，Nanjing210o96，China） （3.SchoolofEngineeringScience，UniversityofScienceand TechnologyofChina，Hefei 23O026，China） （4.School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University， Changzhou 2132oo， China）

Abstract：[Objective]To met thetask requirementsofground-based special robots incomplexenvironments，suchas earthquakerelief，awhel-trackedreconfigurablewheelwithoutelasticcompensationelements wasdesigned.[Methods]Firstly thesystemcompositionand workingprinciplesoftheplanetaryexpansionandretractionmechanism，deformationmechanism， andclutch mechanism were introduced，and the motionmodes achievablebythedeformable wheel indiferent working scenarioswerediscussd.Secondly，ageometric parametermodelof thewheeldeformation processwas established，andthe wheel-tracked transformation mechanism was analyzed.Factors afecting the lengthofthe track before andafterdeformation， suchastherotationangleofthelinkage，sliderdisplacement，andcentralcoordinatesofthedeformationmechanism were identified.Thn，aprototypeoftherobotandaestplatformweredesigned，andthetestvalidationwasconducted.inallya controlsystemwasdeveloped，andthewheel’sspeedandpassabilityweretested inthreeenvironments：flatground，muddy terain，ndsandyterrin.[Results]Teresultssowthatthelengthvariationrateofthetrack inwheeandtrack modes isonly 0.29% .Through thecoordinated actionof thedeformation mechanism，transmisionmechanismand clutch mechanism，the deformablewheelcan fulyachieveswitchingamong nine motionmodes，providingreferencefor futuremulti-scenario applications of special robots.

Key Words：Reconfigurable deformationwheel; Planetaryexpansionandretraction;Deformationmechanism;Wheeltrackedmode;Clutch mechanism