一種大負載的變形輪設計與運動分析

鄧志燕 余 冰 陳少南

（中廣核研究院有限公司，深圳 518100）

破拆機器人作業(yè)環(huán)境復雜多變，對機器人的運動靈活性、越障性和環(huán)境適應性等特性提出了更高的要求。其中：輪式行走機構具有較高的機動性，但行動易受地形環(huán)境限制；履帶式行走機構具有越野性能 好、爬階梯、越障以及通過性強等優(yōu)點，但其能耗大、靈活性差且工作效率低。輪履復合式機構兼具輪式和履帶式的優(yōu)勢。目前，國內(nèi)外研究機構已研制出輪履組合式、可變形履帶式以及輪履變體式等多種輪履復合式移動底盤[1-5]。

曹沖振等設計了一種輪履復合式爬樓輪椅，在輪椅前后分別裝配輪式和履帶式行走機構，較好地實現(xiàn)了輪椅上下樓梯的功能[6]。胡軍中等開發(fā)的輪履復合式車輪，可以進行平地輪式、履帶式運動以及上下坡運動，靈活性和機動性顯著增強[7]。但是，目前這類機構主要應用于小負載的移動載體，缺乏大負載的變形輪移動載體的研究。本文以大功率破拆機器人為背景，設計了一款大負載變形輪體，有效發(fā)揮了履帶式和輪式行走機構的優(yōu)點，負載能力大，越野性能好，機動性強。

1 變形輪結構設計及運動機理

1.1 變形輪結構設計

本變形輪兼具輪式和履帶行走特性，能根據(jù)不同的作業(yè)需求實現(xiàn)輪式和履帶運動狀態(tài)切換。單輪負載大于2 t。在輪式狀態(tài)下，變形輪需具有較高的運動速度和較低的能耗。在履帶式狀態(tài)下，變形輪應有足夠的接地面積和驅動力。

基于以上要求，本文提出的輪履復合式變形輪總體結構如圖1 所示。整個變形輪包括驅動模塊、變速箱和輪體3 部分。其中：驅動模塊為輪體運動提供驅動力；變速箱進行兩種運動模式切換；輪體為變形輪工作和變形的主要執(zhí)行機構，根據(jù)模式切換指令進行圓形和三角形運動狀態(tài)切換，直接與地面接觸，并與地面摩擦產(chǎn)生前進動力。

1.2 工作原理

變形輪工作原理如圖2 所示。輪式行走時，輪轂與中心軸連為一體，變形油缸伸出，帶動變形瓣將履帶撐開至圓形狀態(tài)。驅動模塊通過中心軸旋轉將動力傳遞至履帶鏈輪，驅動履帶及所有構件轉動。

履帶式行走時，輪轂與中心軸分離，變形油缸縮回，帶動變形瓣將履帶回縮至三角形狀態(tài)。驅動模塊通過中心軸旋轉將動力傳遞至履帶鏈輪，驅動履帶轉動，其他構件（輪轂等）保持靜止。

1.3 行走性能分析

設整車滿載質量為G，考慮地面高低不平，設安全系數(shù)為K，則單個輪子支撐力Fs為：

1.3.1 履帶行走工況

當采用履帶式行進時，其驅動模塊至履帶傳動 比為：

平地行走，忽略風阻，設履帶與地面的摩擦系數(shù)為φ，單輪需要的牽引力為：

式中：R 為主動輪分度圓直徑。

則驅動模塊的輸出扭矩為：

驅動模塊轉速為：

1.3.2 輪式行走工況

履帶變形圓形后，驅動輪為整個輪。設圓形輪的直徑為D，此時液壓驅動裝置到輪體的傳動比為：平地行走，設輪式與地面的摩擦系數(shù)為φ′，則單輪需要的牽引力為：

驅動模塊的輸出扭矩為：驅動模塊轉速為：

綜上分析，在G=7 t、D=700 mm、R=85 mm、i′=0.977、i′′=1.1、φ=0.2、φ′=0.1、履 帶 行 走 速 度為3 km·h-1、圓形最高速度為10 km·h-1的情況下：履帶工況變形輪輸出扭矩為416.5 N·m，驅動裝置輸出扭矩為425.97 N·m，輸出速度為93.62 r·min-1；圓形工況驅動裝置輸出扭矩為792.9 N·m，輸出轉速為 83.6 r·min-1，滿足要求。

2 變形輪試驗驗證

2.1 試驗平臺

為了驗證大負載變形輪性能，1 ∶1 加工變形輪，并搭建試驗平臺進行變形功能和測功測試（如圖4 所示），其中測試時測功機通過變速箱、第四軸和第四軸上的傳動齒輪與變形輪連接。測試過程中，通過測功機動態(tài)施加反向扭矩來測試變形輪的負載能力，其中變速箱的變速比為1 ∶6.3，如1.3 節(jié)履帶行走工況計算，在3 km·h-1行走速度下，變形輪的輸出扭矩為416.5 N·m 換算到測功機端為66.1 N·m。因此，為保證變形輪履帶工況的牽引力，只需測功機反向扭矩不大于66.1 N·m，變形輪能正常運轉即可。

2.2 試驗結論

履帶工況下變形輪在壓強為25 MPa、轉速為 560 r·min-1的情況下轉動，給測功機動態(tài)施加反向扭矩，測量數(shù)據(jù)如表1 所示。其中：Uab、Ubc、Uca是變形輪端油泵電機參數(shù)；Tt為測功機扭矩；N 為第四軸轉速。

從表1 可見：在扭矩73.1 N·m 時，變形輪仍可正常轉動。可見，變形輪三角履帶狀態(tài)下的牽引力滿足要求。

表1 履帶式工況平地模擬試驗數(shù)據(jù)

3 結語

本文對變形輪總體結構、變形原理及關鍵機構參數(shù)進行分析，同時對圓形和履帶運動模式的運動性能進行對比分析，最后搭建試驗平臺進行試驗驗證。試驗結果表明，變形輪可以在大負載工況下實現(xiàn)輪式和履帶式的自由切換和運動，運動負載滿足設計要求。本變形輪可應用于特種機器人等重型載具，有助于提升特種機器人的運動性能和復雜環(huán)境的適應能力。