轮爪式探测车Rabbit的运动性能分析

岳荣刚

(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)

宋凌珺

(北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京100191)

王少萍

(北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京100191)

随着空间科学技术的发展，许多国家推出了行星探测计划.行星表面环境恶劣，且充满了不确定性，采用行星探测车代替人类完成探测任务是安全可行的.各国研究人员研制了多种探测车，如履带式、腿式和轮式等等［1］.轮式探测车运动平稳，带载能力强，是当前探测车的主流［2］.为了使探测车适应复杂地形，研究人员将注意力集中在探测车整体设计上，对车轮的研究相对较少.目前研制的探测车车轮主要有以下5种形式.

1)传统圆形车轮:外形是传统的圆形，周向均布横向或斜向条纹，运动平稳，转向灵活，但难以翻越高度超过车轮半径的台阶.美国喷气推进实验室(JPL)开发的火星探测车 Sojourner［3-4］，FIDO［5］，Spirit［6］，以及日本的 Micro5 火星车［7］均使用了这种车轮.

2)弹片式车轮:这种车轮也是圆形的，不同的是它的行走机构为周向均匀分布的薄弹片.该车轮与第1种车轮相比增加了一定的缓冲功能，能翻越高度略超过车轮半径的台阶，其代表为日本东芝公司的火星探测车车轮［8］.

3)腿式车轮:综合了腿与轮的优点，但需要增加驱动腿运动的动力，且控制比较复杂，其代表有Case Western Reserve University的Whegs样机系 列［9］、RHex 机器人［10］、UPenn University 的Sandbot［11］，泰国［12］和欧洲［13］也有类似设计.

4)膨胀轮:充气后是一种圆形轮，其直径相当大，可使探测车在极端崎岖的地形行走，充气胎可兼做缓冲器，但需要特殊充气源，如卡内基梅隆大学机器人研究所的膨胀轮［14］.

5)行星轮式车轮:每个车轮由3个小行星轮构成，在平坦地面运动时，2个小行星轮触地，遇到较大的障碍或台阶时，3个小行星轮绕其公共中心旋转以越过障碍或台阶，缺点是转向困难，代表为哈尔滨工业大学的行星轮式车轮［15-16］.

6)变直径车轮:该车轮可在电机驱动下变化车轮直径，提高通过能力，但车轮在最大直径下工作时多边形效应明显，影响探测车的运动稳定性，代表是北京航空航天大学的变直径车轮［17］.

7)跨步轮:前苏联研制，利用液压缸实现轮子结构的拓扑变化，能提高探测车的通过性能，但是结构复杂，在硬路面上行驶的平顺性差［18］.

安装以上车轮的探测车要么转向困难，要么越障能力有限，甚至实现起来较困难.为克服这些缺点，本文设计了轮爪式车轮和装有该车轮的探测车，其运动平稳，转向灵活，越障能力强.

1 轮爪式车轮的原理

本文轮爪式车轮的设计灵感源自棘轮机构，其原理如图1所示.为保证探测车运动平稳、转向灵活，车轮基体仍采用传统的圆形结构.为提高车轮的越障能力，沿其周向均匀安装6套轮爪机构，每套轮爪机构由轮爪、轮爪轴、限位轴和拉力弹簧构成.每个轮爪均可绕轮爪轴摆动，当其不与路面接触时，轮爪在拉力弹簧和限位轴的共同作用下呈张开状态;当其与路面接触后，轮爪会在探测车自身重力作用下向车轮基体内摆动，这样减小了车轮的六边形效应带来的颠簸现象.

文献［19］对轮爪式车轮进行了静力学分析，得出了该车轮平稳前进的条件，以及设计该车轮时确定各个参数的方法，并用ADAMS软件进行了运动学仿真.本文将基于试验样机进一步分析轮爪式车轮的运动性能.为方便下文叙述，首先定义车轮的正反转.以图1为例，定义车轮顺时针方向旋转为正转，逆时针方向旋转为反转.

图1 轮爪式车轮原理图

2 Rabbit探测车样机实验分析

为测试轮爪式车轮的实际性能，本文设计了一台4轮探测车样机Rabbit进行试验(图2所示)，质量约为 10.5 kg，尺寸为 57 cm×43 cm×31 cm，采用4轮摇杆-差速器结构，车身通过差速器安装到悬挂轴上，无减震装置.车体内装有加速度传感器和倾角传感器.Rabbit探测车的控制系统采用上-下位机结构的分布式控制.用一台IBM PC作上位机，下位机主要由控制模块和驱动模块组成，上-下位机之间通过RS-232串口进行通讯.上位机提供人机交互界面，操作者可通过其对系统进行设置和控制，对系统的运行状态进行监测，并获得相关数据.控制模块接收上位机指令，对其解算后产生控制信号送至驱动模块，并负责采集和处理各种传感器信息.驱动模块根据控制模块输出的信号，驱动相应电机.

图2 新型轮爪式移动探测车样机Rabbit

所有实验数据均在最大车轮转速nmax=24.4 r/min，即前进速度Vmax=15.3 cm/s的情况下测得.本文分别在柏油路面、沙土路面、斜坡路面、台阶路面和月球模拟土壤等不同环境中进行了测试，下面根据测试数据讨论车轮的各项性能.

2.1 Rabbit运动平稳性分析

轮爪的存在可能使Rabbit在平坦路面前进(车轮正转)时产生颠簸.为测试车轮的运动平稳性，在柏油路面进行了实验(图2).图3给出了Rabbit在柏油路面前进时车身竖直方向的加速度曲线，变化范围为-0.39g～+0.46g;图4给出了Rabbit在柏油路面后退(车轮反转)时车身竖直方向的加速度曲线，变化范围为-0.13g～+0.16g;图5给出了轮爪收起(相当于普通圆形轮)时车身竖直方向的加速度曲线，变化范围为-0.13g～+0.13g.

图3 Rabbit在柏油路面前进时竖直方向加速度曲线

图4 Rabbit在柏油路面后退时竖直方向加速度曲线

图5 Rabbit收起轮爪在柏油路面运动时竖直方向加速度曲线

对比图3与图4，在柏油路面行走时，车轮反转行走比正转行走更平稳.因为车轮反转时，轮爪可以收进车轮基体内，越障轮相当于圆形车轮.对比图4和图5，车轮反转时近似于普通圆形车轮，颠簸比较轻微;车轮正转时，轮爪收进车轮基体内时会产生一定的“爬行”现象，6个轮爪会导致六边形效应，产生颠簸.所以在平坦硬路面运动时，探测车应该用后退的方式行走.

2.2 Rabbit越障能力分析

本文在干沙土路面、台阶路面、斜坡路面和月球模拟土壤中测试分析了Rabbit的越障能力.

2.2.1 干沙土路面越障能力分析

在干沙土路面测试了Rabbit在多障碍路面的运动性能(图6).图7为Rabbit在沙土路面前进时车身竖直方向的加速度曲线，变化范围为-0.13g～+0.13g;图8为Rabbit在沙土路面后退时车身竖直方向的加速度曲线，变化范围为-0.10g～+0.10g;图9为轮爪收起时车身竖直方向的加速度曲线，变化范围同图8.

图6 Rabbit在沙土路面测试

图7 Rabbit在干沙土路面前进时竖直方向加速度曲线

图8 Rabbit在干沙土路面后退时竖直方向加速度曲线

图9 Rabbit收起轮爪在干沙土路面运动时竖直方向加速度曲线

对比图7和图8，在干沙土路面行走时，Rabbit后退比前进稍显平稳.因为车轮前进时，轮爪插入沙土内，减小了六边形效应和车身震动，同时提高了抓地能力.所以当探测车在障碍较多的干沙土路面运动时，应该用前进的方式行走，以提高越障能力.图8与图9的对比则表明:在干沙土路面行走时，车轮反转行走的效果与普通圆形车轮一致.当Rabbit以前进方式在多障碍路面行走时，最大可以越过13 cm高的障碍.

2.2.2 台阶路面越障能力分析

Rabbit在台阶路面运动需用前进的方式行走.此时轮爪“抓住”前面的台阶，使探测车翻越(图10).本文对Rabbit进行了不同高度的台阶测试，每个台阶重复测试20次，结果如表1，表明轮爪式车轮可越过低于8.2 cm(车轮半径的1.4倍)的台阶.理论分析表明:该车轮可越过的最高台阶为9cm(车轮半径的1.5倍).图10为Rabbit翻越8.2 cm台阶过程的截图.作为比较，当Rabbit以后退方式行走时，能翻越4.5 cm高的台阶.

图10 Rabbit翻越台阶视频截图

表1 不同高度台阶的翻越测试结果

2.2.3 斜坡路面越障能力分析

为测试Rabbit在斜坡路面的运动性能，在沙土斜坡上进行了实验(图11).图12给出了Rabbit以前进方式爬坡时车身仰角的变化曲线，可见最大爬坡角度超过了40°;Rabbit以后退方式(轮爪作用失效)走相同路径时，爬到一定位置便在原地打转，图13为Rabbit后退爬坡时的车身仰角变化曲线，最大爬坡角度小于31°.对比图12和图13，轮爪使Rabbit的最大爬坡角度提高了9°以上，原因是轮爪在运动过程中，插入沙土内，提高了车轮的抓地能力.所以在沙土斜坡路面运动时，Rabbit探测车也应该用前进的方式行走.

图11 Rabbit以前进方式爬越沙土斜坡

图12 Rabbit以前进方式爬越沙土斜坡时车身仰角曲线

图13 Rabbit以后退方式爬越沙土斜坡时车身仰角曲线

2.3 月球模拟土壤越障能力分析

为进一步测试Rabbit的性能，与北京航空航天大学交通科学与工程学院进行了合作实验，测试了Rabbit在月球模拟土壤中的性能.月球模拟土壤的材料为火山灰，孔隙比(土中孔隙体积与土粒体积之比)为 0.8到 1.0，密度约为2.77 g/cm3.

本文分别测试了Rabbit在月球模拟土壤组成的复杂地形和多障碍环境中的运动性能，如图14和图15所示.结果表明:在轮爪式车轮的帮助下，Rabbit运动自如，可以轻松越过与车轮尺寸相当的火山岩石.

图14 月球模拟土壤复杂地形测试

图15 月球模拟土壤多障碍地形测试

本文还测试了Rabbit在月球模拟土壤中的拖拽能力，测试结果表明:Rabbit前进模式下的拖拽力为26.5N，后退模式下的拖拽力为25.1N.在月球模拟土壤中运动时，Rabbit也应该用前进方式行走.

3 结论

本文设计了新型轮爪式探测车Rabbit，介绍了其车轮的原理和Rabbit探测车样机的整体设计.分别在柏油路面、干沙土路面、台阶路面、斜坡路面和月球模拟土壤环境中分析了其越障能力.测试结果表明:轮爪式探测车Rabbit具有较强的地形适应能力和越障能力，可以越过高度为车轮半径1.4倍的台阶，并能爬过角度为40°的斜坡.在不同的地形环境中，Rabbit应采取不同的行走方式:在平坦硬路面运动时，用后退的方式行走;在多障碍路面、斜坡路面、台阶路面或月球模拟土壤运动时，用前进的方式行走.

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