＊新型軟地面氣墊靴式步行車的行走機構設計研究

曹 陽 馬 聰 羅建南 劉慶偉 喻 凡

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240）

0 前言

車輛在沼澤、灘涂、濕地等濕軟路面條件下的穩定性和通過性，一直是車輛動力學及其控制領域的難點之一［1］。這類地面的典型特點是環境復雜、承載能力低、且不平坦，使得常規車輛可能出現打滑、下陷的現象或者甚至根本無法通過。為了提高車輛在該類型路面下的通過性，國內外很多學者研制了不同類型的行走機構和特種車輛，主要包括：多輪寬輪車輛、履帶式車輛、氣墊車輛等［2－4］。該類型車輛的研制，對此類濕軟不平坦地面的資源勘探及開發、科考、軍事以及搶險的特殊要求，有著極其重要的意義。

1 整車方案設計

前人研究表明：普通的輪式車輛和履帶車輛在一般濕軟路面上具有速度快，效率高的優勢，而在濕軟程度較高的路面，卻顯得通過性較差；相對而言，普通的氣墊車輛，雖然可以在一定程度上有效地解決濕軟路面車輛的通過性，但是其對不平坦地面的仿形能力，對環境的自適應能力及越障能力較差，也不能很好地滿足要求。而機器人中的腿式獨立行走機構能夠最大限度提高越障能力，對坎坷不平的地面環境具有更強的適應性，非常適合在地形復雜的環境下運動［5］。因此，針對濕軟地面的作業車輛接地壓強要求低、作業工況復雜多變等特點，在結合氣墊和移動機器人技術的基礎上，本文創新性地設計了一種新型氣墊靴式步行車，旨在有效降低車輛對地面的接觸壓強的同時，提高車輛的仿形通過能力。其設計方案及工作原理由圖1所示。

圖1 原理示意圖Fig.1 Schematic diagram

在該方案設計中，步行機構由六個類似于空氣彈簧、氣壓獨立可控的氣墊靴（7－為落靴時的進氣狀態；8－為抬靴時的放氣狀態）組成，并縱向對稱分布于車體下方的左右兩側。車體內密閉的高壓氣室2，其壓強由空壓機及驅動電機1根據設計的控制算法保持在某一適當狀態。通過氣道4連接，六個三相電磁閥3（圖2所示）分別相應控制每一氣墊靴，通過相位的控制以實現氣墊靴的保持、充氣和放氣狀態（其中相位一為封閉狀態、相位二為連通氣墊靴和高壓氣室、相位三為氣墊靴連通大氣）。當電磁閥處于相位二時，高壓氣源將向氣墊靴充氣，通過伸張氣墊靴來實現其落靴動作；當電磁閥處于相位三時，由于氣墊靴內拉簧作用，使靴內氣體排出以實現抬靴動作；當氣墊靴完成預定動作后，電磁閥回歸到相位一，氣墊靴保持氣壓并足以支撐車體重量。此外，也可考慮增設一個車載減壓室，同時將三相電磁閥改為四相，使第四相為氣墊靴與減壓氣室的連通狀態，以保證在特殊工況（如草地足受限的情況下）氣墊靴仍具有足夠的抬靴（拔靴）動力。最后，整車采用合理的步態規劃控制算法，并保證各足間的互相配合和協調運動，以及行走驅動機構驅動氣墊靴就能實現車輛的前進運動。綜合來說，該步行車具有以下特點：

（1）有與地面相接觸的行走裝置，與全墊升氣墊車相比，有更加優秀的爬坡能力，消除了對風敏感以至于易產生滑移、側漂等問題，行駛更穩定，能耗更小。

（2）應用了較為成熟的機器人行走技術，與傳統的混合式氣墊車相比，有更強的仿形和越障能力，在軟路面上承載能力更強，硬路面上行駛平順性更佳。

（3）以類似于空氣彈簧的靴式氣墊足為核心的行走機構使得車輛的抗振能力得到大大提升，并可以通過對氣墊足“剛度”的控制調節載荷分配，增強了車輛對復雜路面的適應能力。

圖2 三相電磁閥原理圖Fig.2 The three phases magnetic valve schematic diagram

2 步態規劃設計

步態規劃是實現車輛步行的關鍵之一，為達到較為理想的步行，需要考慮下列要求：（a）步行平穩、協調，進退自如，較小的左右搖晃及前后沖擊；（b）機體和地面間沒有較大的沖擊，特別是在氣墊足著地時，與地面接觸為軟著陸；（c）機體保持與地面平行，且始終以等高運動，沒有明顯的上下波動。對于本步行車而言，普遍的行走方式可以采用三角步態式的步行方式，然而在過于松軟的路面上行走時，普通的三足行走的方案不足以滿足其不下陷的要求［6］。則此時，則采用特殊的五足支撐方案進行行走，此外還模擬了一種特殊的越障工況。

首先，在進行步態設計和步態分析之前，需要做以下假設：

（1）車輛行駛速度足夠慢，且縱向驅動系統的狀態只分為勻速前進、勻速后退和保持這三種狀態，而忽略其啟動/制動時的加速/減速過程。

（2）將縱向驅動系統的前進/后退速度設定為t0秒鐘完成一個步長S米。

（3）盡管真實的氣墊靴充放氣過程為復雜的流體動力學變化過程，并與實際設計車輛結構直接相關，為簡化分析，我們在此假設氣墊靴能夠在t1秒內完成一次充氣或者放氣過程。

其次，需要定義編號以方便描述氣墊靴的步態規劃設計過程，具體編號如車輛俯視圖3所示。

圖3 各靴編號示意圖Fig.3 Each boots numbering scheme

這里，我們可以采用一個二維的數組來表示每個氣墊靴的狀態，其中第一個元素表示氣墊靴縱向坐標，以每個靴后退能達到的最大位移作為該靴的原點，以前進方向為正方向。第二個元素表示氣墊靴充放氣狀態，1表示充氣完畢或者已落下，0表示放氣完畢或者已抬起。比如圖2中最左邊的氣墊靴，其狀態為（S/2，1）。

同樣，采用一個3×2的矩陣來表示車輛整體狀態，其中每個矩陣元素代表的相應的氣墊靴，其編號矩陣為：

按照以上定義，在車輛的初始狀態下，每個靴相應的初始狀態均為（0，1）。

2.1 普通工況下的三角步態設計

三角步態是六足機器人最常采用的設計，即其中的兩組腿（車體一側的前足、后足與另一側的中足）處于支撐三角形上，且三足的動作相同，均處于擺動相或均處于支撐相。六足綱昆蟲（蟑螂或螞蟻等）在平坦無阻的地面上快速行進時，多以交替的三角步態運動［7］。三角步態的如圖4所示：

圖4 六足綱昆蟲三角步態示意圖Fig.4 The six feet class insect triangle guit scheme

對于本文設計的六足氣墊靴步行車而言，可以選擇在普通工況下采用三角步態式的步行方式，在保證車輛具有較快前進速度的同時，可使車輛重心保持在較大的三角形支撐范圍內，以獲得較高的行駛穩定性。所設計的三角步態具體描述如下：

（8）A，B，C，D，E，F一起后退，靴不動、車前進，六足回到初始狀態，即：

按照（1）—（8）的順序完成一個循環，其所花的時間為t1＋t0＋t1＋t1＋t0＋t1＋t0＝3t0＋4t1秒，車輛前進了S米，即車輛的前進速度為S/（3t0＋4t1）m/s。所設計的氣墊車三角步態一個循環過程由圖5清晰地描述如下：

圖5 靴式氣墊車三角步態示意圖Fig.5 The boots air cushion vehicle triangle guit scheme

2.2 惡劣工況下的五足支撐步態設計

若考慮某些更惡劣的、承載能力更低的地面，需要更小的接地比壓來保證車輛的通過性。此時，可采用多于三足、甚至五足接地的步態方案設計。其具體的步態設計方案描述如下：

（11）－（13）A抬靴前進落靴，

（14）－（16）E抬靴前進落靴，

（17）－（20）C抬靴前進落靴

（21）車輛前進步長S

采用該步態方案時，車輛前進一個步長所需時間為（t1＋t0＋t1）＊6＋t0＝7t0＋12t1秒，可見會大大降低車輛行走速度，明顯超出三角步態所用的時間，但是對保證車輛行走穩定性具有重要的意義。

2.3 越障步態模擬

在車輛行駛過程中，可能會遇到一些障礙物，這時需要通過控制算法進行步態的實時控制，以保證車輛越障。在越障模擬中，本文給出一個典型的步態控制過程。首先假設車輛右側有一個與氣墊靴投影面積相同、高度為其工作行程二分之一的障礙物，模擬車輛越障過程如圖6所示。

圖6 靴式氣墊車越障步態模擬Fig.6 The boots air cushion vehicle overpass obstacle guit simulation

由上圖可見，其中（1）狀態為初始狀態，（a）、（b）兩個狀態仍保持了三角步態的前進方式，而（c）－（j）是在保證靴F不落地和車輛重心的情況下實時演算而成的步態，到了（j）狀態車輛前進一個步長，接著開始（a）狀態，然后進行（a）－（j）循環，直至靴 F完全跨過障礙物。此時，靴E的步態就會被重新規劃，最后規劃的是靴D，直至車輛完全越過障礙物，車輛重新進入三角步態。可見，按照所設計的步態組合控制，車輛可順利地完成越障。

3 行走驅動機構設計研究

該步行車的行走驅動機構主要由動力源、動力傳遞裝置、最末端的氣墊足及輔助裝置所組成。本文選擇了滾珠絲桿機構以實現氣墊靴與車體間的相對運動［8］。圖7所示的就是機構的三維模型，其中主要包括了伺服電機，滑塊，滾珠絲桿與導軌。

圖7 行走驅動機構三維模型圖Fig.7 The walking mechanism 3Dmodel diagram

3.1 動力源設計

本設計采用伺服電機作為驅動源，同時采用六個電機獨立驅動。電機的優點在于其不需要體積龐大，結構復雜的動力轉換機構，也不會造成額外的沖擊和振動。同時，對于控制技術而言，電機的響應速度較快。而選用伺服電機而非步進電機，是由于對于氣墊車輛而言，其需要承受很大的載荷，故需要較大的扭矩來驅動車輛。伺服電機相比于步進電機而言，更易輸出較大的扭矩，盡管其控制精度要弱于步進電機，但是就氣墊車輛的控制要求而言，伺服電機的響應時間已經完全足夠，故采用伺服電機作為驅動源。

同時，采用六個電機獨立控制，可以使得氣墊車的六個氣墊足得到不同的速度，更好的滿足轉向等工況的具體要求。同時，由于氣墊車在松軟路面上行駛的，所以極易遇到復雜的土壤狀況，此時，采用六個電機獨立控制的控制方案就可以得到五足同時支撐的行走方案，確保車輛行走的穩定性，所以采用六電機分立控制。

3.2 傳動系統設計

本設計采用滾珠絲桿與輔助導軌的傳動方案，相比于其他方案，其主要的優點在于其運動精度高，工作平穩，尺寸緊湊，可傳遞較大軸向力。同時，在此附加滾珠螺旋，大大提高了其傳動效率，使得螺紋不易磨損。由于本車的設計目標為一個低速重載的車輛，故在這里增加了導軌的機構，用以承受車身較大質量的載荷，增加整個系統的強度。而滑塊的機構設計如圖8所示。具體原理為：部件1中間打孔，孔中有內螺紋，絲桿從中穿過。部件2為滑塊的外殼，安裝于圖7的滑槽中。3為滑塊內的滑槽，使得部件1可以在滑塊內部上下自由移動。此結構的設計目的在于將水平力和豎直力徹底分離。氣墊足在水平運動時，滑塊內滑槽3的存在使部件1可以上下自由運動，使得絲桿只承受水平方向的力，豎直方向的力大都由滑槽7承受，這樣可大大減少工作時絲桿的變形，減小運動阻力，并且延長了絲桿的壽命。

圖8 滑塊的內部結構圖Fig.8 The internal structure of the slide block diagrem

3.3 氣墊足的設計

本設計中的墊升系統與傳統意義上的墊升系統有所不同，其是由風機，增壓氣室，減壓氣室與氣墊足所組成的。氣墊足主要有兩個部分組成：氣墊與輔助穩定裝置。

本設計中氣墊足（如圖9所示）有六個，結構相同，每側三個，對稱設置于車體的兩側。由于氣墊足是保證氣墊車通過性的重要部件，故需保證足夠的底面積來減小地面比壓，以防止地面的沉降，在擁有足夠的底面積的條件下，盡可能的設計的比較小，可以減少風機的充氣時間，從而減少風機的功率消耗。氣墊足設計為三層主要考慮有三點，其一是通過上小下大的設計，可以盡可能的減少風機的充氣時間，減少功耗。其次是通過三層的一個設計，借鑒了空氣彈簧的結構，使氣墊足可以完成其自適應，是氣墊車運行時盡可能的保持姿態的穩定。再次，使用三層氣墊可以使整個氣墊足的高度上升，保證了此車有良好的幾何通過性。鑒于此設計，故在三層氣墊之間需要增加卡環，以防止氣墊的外擴。

圖9 氣墊足的模型Fig.9 The air cushion foot model

對于輔助穩定裝置，其主要作用為保證氣墊車在不同的行駛工況下可以正常運行。輔助穩定裝置分別與車體和驅動電機相連，氣墊與輔助穩定裝置相連。輔助穩定裝置包括腿部桿件、彈簧與球鉸，球鉸設置于腿部桿件和氣墊之間。球鉸是整個穩定裝置設計的核心，其能夠讓氣墊對于不同的地面有較好的適應性，使得氣墊足可以上坡行駛，輔以十字穩定裝置使得氣墊車可以在有一定坡度的路面上保持其姿態的穩定。腿部桿件的端部垂直設有兩根相互交叉固定的支撐桿（十字穩定裝置），其垂足是兩根支撐桿的交叉點，彈簧的一端和支撐桿的末端相連，另一端和氣墊相連，彈簧在氣墊抬起時，能夠保持氣墊的水平狀態。當車輛要轉向時，運用差速轉向的原理，在氣墊足靜止的情況下，通過絲桿上機構運動速度的不同，使得車身先行轉向，隨后再通過扭簧將氣墊足的姿態進行調整，所以輔助穩定機構幫助氣墊車在不同的工況下可以正常工作。

5 結論

常規車輛在軟濕地面上（如灘涂、沼澤地等）行駛時，會存在行駛機構下陷深、阻力大、滑轉嚴重甚至根本無法工作的問題，氣墊控制技術一直是一種有效的解決手段。在對前人研究的基礎上，我們創新性地提出了一種氣墊靴式步行車。該氣墊靴式步行車由六個獨立可控的氣墊靴及其驅動系統構成。我們通過整車方案設計、工作原理分析、步態規劃及模擬，對所提出的方案合理性和可行性進行了研究，最后對車輛的行走驅動機構的進行了設計，初步達到研究的預期目的。

［1］ M.G.Bekker.地面車輛系統導論［M］.北京：機械工業出版社，1978.

［2］ J.Y.Wong，Performance of the Air－Cushion－Surface－Contacting Hybrid Vehicle for Overland Operation［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，1972，186：50－72.

［3］ Z.Luo，F.Yu，B.C.Chen，Design of a novel semitracked air－cushion vehicle for soft terrain［J］.International Journal of Vehicle Design，2003，31（1）：112－123.

［4］ I.Lepp nen，S.Salmi，A.Halme，WorkPartner–HUT－Automations new hybrid walking machine［C］，CLAWAR’98First International symposium，Brussels，Belgium，1998.

［5］ E.Krotkov，R.Simmons，Performance of a six－legged planetary rover：power，positioning and autonomous walking［C］，Proceedings of the 1992IEEE International Conference on Robotics and Automation，Nice，France，1992.

［6］ 漆向軍，陳霖，劉明丹.控制六足仿生機器人三角步態的研究［J］.計算機仿真，2007，24（4）：158－161.

［7］ 徐小云，顏國正，丁國清等.微型六足仿生機器人及其三角步態的研究［J］.光學精密工程，2002，10（4）：392－396.

［8］ 鄒慧君.機械原理［M］.高等教育出版社：1999.