輪腿式移動平臺行動機構設計與越障能力分析

叢　華， 王若天， 張傳清， 段久元， 陳　冰

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072; 2. 63713部隊， 山西 忻州 036204; 3. 63788 部隊， 陜西 渭南 714000)

輪腿式移動平臺行動機構設計與越障能力分析

叢華1， 王若天1， 張傳清1， 段久元2， 陳冰3

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072; 2. 63713部隊， 山西 忻州 036204; 3. 63788 部隊， 陜西 渭南 714000)

摘要：為滿足復雜路面越野機動和翻越垂直障礙的能力需求，設計了輪腿結合式移動平臺行動機構及相應的翻越障礙物的動作，分析了輪腿結合式行動機構越障過程中的受力情況和動力需求，使用MATLAB計算獲得輪腿擺動驅動電機的最大輸出轉矩，并通過軟件ADAMS建立該移動平臺整機模型，仿真分析了移動平臺翻越障礙的過程。結果表明：該結構設計滿足通過200 mm高臺所需，獲得擺臂電機最小轉矩參考值為5.01 N·m，為輪腿式移動平臺的進一步研究提供了理論基礎和依據。

關鍵詞：無人移動平臺；輪腿式結構；越障設計

輪式結構地面移動平臺具有機械結構簡單、運動速度快和控制容易等優點，但難以適應稍復雜地貌，應用受限。腿式結構移動平臺易于通過凸凹不平地面，但運動速度較慢、驅動效率低，而且控制方法復雜[1]。綜合輪式與腿式結構優點產生的輪腿式移動平臺，機動性與通過性優異，廣泛適用于星球探測、災場營救、軍事偵察等任務。

應用于城市偵察領域的輪腿式復合移動平臺，普遍具有高機動性，而復雜環境通過性是決定其應用性能的關鍵。Wettergreen等[2]研制的Scarab輪腿式移動平臺對陡坡路面具有較強的適應性，但輪腿關節變形程度小，自由度有限。Bruzzone等[3]研制的Mantis 2.0輪腿移動平臺仿造螳螂設計的機械前臂，可支撐高為160 mm移動平臺，并通過與之本體等高的平臺，缺點是前臂會因欠驅動而出現滑移失穩現象。王紅梅等[4]研制的輪腿式移動平臺依靠轉向關節和擺臂，可實現樓梯爬越動作，但因配有8個驅動輪，導致驅動負載過大，能量利用率低。

針對城市環境下的偵察任務，筆者設計了一個輪腿式移動平臺，4個腿式結構可全向旋轉，安裝在腿部末端的4組輪轂電機用于驅動移動平臺行進。為實現合理設計并滿足越障需求，給出一組分步式越障動作，并分析受力特性，得出動力參數，應用ADAMS仿真軟件模擬越臺過程，獲得擺臂扭矩隨轉動角度變化的關系，并驗證設計的合理性，以期為下一步結構優化打下基礎。

1結構與越障過程設計

按照設計預期，輪腿式移動平臺應由單兵攜行，用于執行城市偵察任務。因此，在結構上應當滿足以下需求：1)體積小、重量輕，即可由單兵攜行；2)具有一定載重能力，即可負載無線偵察單元；3)有較強的城市越障能力，即重心位置可調、結構可變，以適用多種路面條件下的行駛、越障、高臺爬越。

依照以上設計需求，其結構設計目標見表1。

表1　結構設計目標

1.1結構設計

圍繞以上設計目標，采用關節懸掛式結構設計輪腿式移動平臺，其三維效果如圖1所示。可以看出：車體前、后兩側分別伸出1個輪腿轉向軸，來自驅動電機的轉矩由蝸輪蝸桿傳遞至輪腿轉向軸，驅動腿部結構繞軸360°轉動；腿上具有仿膝關節結構，關節內置彈簧阻尼懸掛系統，設計關節限位，使其腿部上下部分具有±15°的擺動空間；腿部末端連接輪轂電機，最終通過腿部擺動可以實現輪位的動態變化與車姿調整。

圖1　輪腿式移動平臺三維效果

結構特點：1)蝸輪蝸桿式動力傳動使得驅動電機與腿部轉軸垂直安裝，節省了車體寬度，并有效解決了垂直沖擊造成的被動旋轉等問題；2)關節式懸掛系統使得當運動過程中遇到路面波動時，關節處彈簧阻尼系統可有效減小由于路面不平整而造成的沖擊，保持整體穩定，實現對平臺載負設備的保護。

1.2越障過程設計

假設輪腿部關節為剛性連接，忽略彈簧阻尼懸掛系統影響，輪腿結構在車體兩側輪轂電機作用下實現全向轉動，依此設計擺臂動作，實現越障目的。

通常狀態下，為保證平臺運動的穩定，應選擇重心較低的運動狀態，當遇到較高平臺時，在電機驅動下輪腿結構直立，使得平臺獲得較高車姿預攀高臺，如圖2(a)所示；而后，一只前腿旋轉3π/2最終搭于臺上，如圖2(b)所示；另一只前腿跟隨搭于臺上，至此前腿均已置于臺上，如圖2(c)所示；輪轂電機驅動輪部轉動，前移至后輪預攀狀態，如圖2(d)所示；兩后腿分別旋轉3π/2，逐個搭于臺上最終就位完成，如圖2(e)、(f)所示；通過驅動電機控制使得后腿歸于正常車姿，如圖2(g)所示。

圖2　輪腿式無人平臺分步式越障過程

2越障受力分析與動力需求

依據前述越障過程設計，為實現攀爬200 mm高臺，需匹配動力驅動系統，亦即4輪腿驅動電機，實現腿部旋轉與挺舉上臺動作以滿足整套動作執行。為此，建立模型分析其受力特性與負載極限，最終獲得極限受力情況作為動力驅動能力的參考指標。化簡結構，給出以下假設條件：1) 在整個動作執行過程中，擺臂均為勻速轉動；2) 輪部質量相比整車質量較小，除局部分析外，輪轂電機質量不計；3) 車身上部預計安裝多種設備，依假設2)，視成型車體質心位于幾何中心位置。

2.1腿部旋轉受力極限分析

圖3為單輪腿簡化結構，其中：A為腿末端連接的輪轂電機輪軸中心；B為蝸桿轉軸中心，命名蝸桿轉軸為B軸；OB腿垂直B軸安裝，通過蝸輪蝸桿機構連接到車體內部的輪腿轉向驅動電機，在電機驅動下，轉矩由蝸輪蝸桿傳遞至B軸，從而帶動OB部分旋轉；O為連接上、下2段腿式結構OA、OB的轉動關節，整體構成一個單輪腿系統；OA、OB在關節處成角α=(150±15)°，使得移動平臺在遭遇小型路面波動時，無需轉向電機主動驅動旋轉避障，關節O亦可被動轉動而減緩路面沖擊。為簡化計算，忽略腿部結構和關節連接部分質量，視車體載荷后總重為G，輪部重力為GA；在分析輪腿結構繞B軸旋轉的過程中，OA、OB的相對擺動較B軸旋轉對車姿變化影響微弱，故忽略關節O處兩側相對轉動的影響，即在分析越臺時視O處關節為剛性連接；針對B軸受力分析時，可將A、O、B三點連接，視之為剛性三角形，則B軸轉向驅動電機帶動輪部旋轉需滿足轉矩平衡[5]。即有

MB=GALABcosθ，

(1)

圖3　單輪腿簡化結構

式中：MB為輪部勻速旋轉過程中B軸傳遞的電機扭矩；LAB為A、B點之間距離；θ為LAB與水平方向所成角度。由余弦定理可知

(2)

式中：LOA及LOB分別為O到A、B之間距離，關節連接固定為α=150°。

根據式(1)可得：當θ=0° 時，MB達到全周旋轉的最大值，代入數值求得其值為3.605 N·m，故B軸轉向驅動電機至少提供3.605 N·m轉矩。

2.2越障受力分析

根據前述越障過程設計，分析越200 mm高臺過程中的受力情況與最小轉矩，獲得滿足設計性能的必要條件。圖4為越200 mm高臺受力分析。

圖4　越200 mm高臺受力分析

越臺前，4輪腿結構均處于直立狀態，其下底面距離地面150 mm，故此時達到依靠平臺本體能夠通過的最大高度150 mm。為了接觸200 mm平臺，需使其下底面在豎直方向上產生50 mm以上的位移,即使其重心位置完全通過平臺邊緣[6]。越障支撐過程為：一只前腿抬起，向后旋轉直至前輪搭接于高臺平面上，此時渦輪蝸桿保持自鎖狀態，各輪軸固定無法旋轉，臺上一前輪與2后輪接地以維持車體穩定；隨后，另一只前腿跟隨旋轉，直至搭接于上臺面；而后，2只前腿在前擺動電機作用下進行旋轉，將車體支撐起來。

由于有前側2電機驅動承擔支撐動作，則因重力作用所產生的扭矩按一半值進行計算，又由于整車豎直方向對稱，故只需分析單側受力情況。以后輪與地面接觸點D為參考點[7]，視其擺動全過程為勻速旋轉，則滿足力矩平衡條件，即

(3)

式中：N為上平臺與輪部的正壓力；h為上平臺距地面高度；LM為后輪直立狀態下重心與后輪腿在豎直方向距離；f=μN ，為平臺提供的水平方向摩擦力，μ 為地面摩擦因數，取μ=0.3;

γ=arcsin[h-LAB(1-sinδ)]/L,

(4)

為車體與水平方向所成角度，其中r為車輪半徑，L為車體長度。

假設車身重心位于車體部分的幾何中心C，在爬越過程中，車體轉動，重心抬升，視重心相對車體位置不變，β 為車體重心相對車體底面的傾角大小，則

β=arctan(H/L),

(5)

式中:H為上車體高度。

而后求解重心與后輪腿在豎直方向距離LM：

(6)

獲得前側單個擺動電機的轉矩MB：

MB=NLABcosθ+f(r-LABsinθ)。

(7)

綜合全向旋轉和雙輪支撐越臺受力極限分析可得：為使上述輪腿式移動平臺實現越障性能，在后腿部驅動電機和輪轂電機作用下，無人平臺可通過200 mm高臺。

3支撐上臺動作仿真驗證

根據前述動作，使用MATLAB軟件求解旋轉支撐越臺過程中MB隨θ的變化曲線,如圖5所示，可知:當θ=-18.8°時，MB具有極大值，為4.93 N·m。

圖5　旋轉支撐越臺過程MB隨θ變化曲線

使用動力學仿真軟件ADAMS對越臺過程進行分析，研究其前擺臂電機帶動輪部轉動過程，由初始狀態——前腿水平搭接臺面，至終止位置——質心高度超越臺面高度，即θ=±30°范圍擺動下，前擺動電機需要提供的最小力矩。

圖6為旋轉支撐越臺動作ADAMS仿真。旋轉支撐起始狀態如圖6(a)所示，可見：2前輪搭接于臺上，車身呈水平姿態。在模型擺臂關節由起始位置開始施加一勻速轉動角速度1°/s，旋轉過程重心提高，即滿足通過高臺要求，如圖6(b)所示。而后使用Measure模塊測量轉軸處提供的力矩，在 Post Processor模塊得到MB隨θ的變化曲線，如圖7所示。可以看出：旋轉-16°附近時產生最大轉矩，可知此時所需轉矩為4.82 N·m，與理論值相差2.3%。出現誤差的原因可能為：一方面仿真模型的接觸約束存在一定彈性，與理論分析中的純剛性力學模型有差異；另一方面，在受力分析過程中，視車體質量集中于質心一點，與ADAMS模型的整體質量分布有差異。

圖6　旋轉支撐越臺動作ADAMS仿真

圖7　在Post Processor模塊得到的MB隨θ變化曲線

參考文獻：

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[3]Bruzzone L, Fanghella P. Functional Redesign of Mantis 2.0, a Hybrid Leg-wheel Robot for Surveillance and Inspection[J]. Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2015, 81(2): 215-230.

[4]王紅梅, 張明路, 張小俊. 新型八輪腿復合移動機器人動力學分分析與控制[J]. 中國機械工程, 2012, 23(23): 2858-2863

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[7]陳殿生, 黃宇, 王田苗. 輪式腿型機器人的越障分析與仿真[J]. 北京航空航天大學學報, 2009, 35(3): 371-375.

(責任編輯: 尚菲菲)

Action Mechanism Design and Obstacle Climbing Analysis of Leg-wheel Unmanned Mobile Platform

CONG Hua1, WANG Ruo-tian1, ZHANG Chuan-qing1, DUAN Jiu-yuan2, CHEN Bing3

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Troop No. 63713 of PLA, Xinzhou 036204, China; 3. Troop No. 63788 of PLA, Weinan 714000, China)

Abstract：To achieve high mobility for country crossing and the ability of climbing vertical obstacles, a novel leg-wheel mobile platform is designed, including the action for obstacle climbing. Focusing on forces and power requirements on leg-wheel mechanism in the process of obstacle climbing, using MATLAB to get the maximum of output torque during motor drive legs swing process, a model of mobile platform is established through the multibody dynamics modeling software ADAMS, the process of obstacle climbing is simulated and analyzed. Results show that the proposed structure design can satisfy the requirements of 200 mm high platform and gains the minimum torque 5.01 N·m of swing arm motor as reference value, which provides a theoretical basis and foundation for further studies on wheel legged mobile platform.

Key words:unmanned mobile platform; leg-wheel structure; obstacle climbing design

文章編號：1672-1497(2016)02-0032-04

收稿日期：2016-01-06

基金項目：軍隊科研計劃項目

作者簡介：叢華(1966-)，男，教授，博士。

中圖分類號：TP242

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.02.007