轮腿式移动平台行动机构设计与越障能力分析

丛　华， 王若天， 张传清， 段久元， 陈　冰

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072; 2. 63713部队， 山西 忻州 036204; 3. 63788 部队， 陕西 渭南 714000)

轮腿式移动平台行动机构设计与越障能力分析

丛华1， 王若天1， 张传清1， 段久元2， 陈冰3

(1. 装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072; 2. 63713部队， 山西 忻州 036204; 3. 63788 部队， 陕西 渭南 714000)

摘要：为满足复杂路面越野机动和翻越垂直障碍的能力需求，设计了轮腿结合式移动平台行动机构及相应的翻越障碍物的动作，分析了轮腿结合式行动机构越障过程中的受力情况和动力需求，使用MATLAB计算获得轮腿摆动驱动电机的最大输出转矩，并通过软件ADAMS建立该移动平台整机模型，仿真分析了移动平台翻越障碍的过程。结果表明：该结构设计满足通过200 mm高台所需，获得摆臂电机最小转矩参考值为5.01 N·m，为轮腿式移动平台的进一步研究提供了理论基础和依据。

关键词：无人移动平台；轮腿式结构；越障设计

轮式结构地面移动平台具有机械结构简单、运动速度快和控制容易等优点，但难以适应稍复杂地貌，应用受限。腿式结构移动平台易于通过凸凹不平地面，但运动速度较慢、驱动效率低，而且控制方法复杂[1]。综合轮式与腿式结构优点产生的轮腿式移动平台，机动性与通过性优异，广泛适用于星球探测、灾场营救、军事侦察等任务。

应用于城市侦察领域的轮腿式复合移动平台，普遍具有高机动性，而复杂环境通过性是决定其应用性能的关键。Wettergreen等[2]研制的Scarab轮腿式移动平台对陡坡路面具有较强的适应性，但轮腿关节变形程度小，自由度有限。Bruzzone等[3]研制的Mantis 2.0轮腿移动平台仿造螳螂设计的机械前臂，可支撑高为160 mm移动平台，并通过与之本体等高的平台，缺点是前臂会因欠驱动而出现滑移失稳现象。王红梅等[4]研制的轮腿式移动平台依靠转向关节和摆臂，可实现楼梯爬越动作，但因配有8个驱动轮，导致驱动负载过大，能量利用率低。

针对城市环境下的侦察任务，笔者设计了一个轮腿式移动平台，4个腿式结构可全向旋转，安装在腿部末端的4组轮毂电机用于驱动移动平台行进。为实现合理设计并满足越障需求，给出一组分步式越障动作，并分析受力特性，得出动力参数，应用ADAMS仿真软件模拟越台过程，获得摆臂扭矩随转动角度变化的关系，并验证设计的合理性，以期为下一步结构优化打下基础。

1结构与越障过程设计

按照设计预期，轮腿式移动平台应由单兵携行，用于执行城市侦察任务。因此，在结构上应当满足以下需求：1)体积小、重量轻，即可由单兵携行；2)具有一定载重能力，即可负载无线侦察单元；3)有较强的城市越障能力，即重心位置可调、结构可变，以适用多种路面条件下的行驶、越障、高台爬越。

依照以上设计需求，其结构设计目标见表1。

表1　结构设计目标

1.1结构设计

围绕以上设计目标，采用关节悬挂式结构设计轮腿式移动平台，其三维效果如图1所示。可以看出：车体前、后两侧分别伸出1个轮腿转向轴，来自驱动电机的转矩由蜗轮蜗杆传递至轮腿转向轴，驱动腿部结构绕轴360°转动；腿上具有仿膝关节结构，关节内置弹簧阻尼悬挂系统，设计关节限位，使其腿部上下部分具有±15°的摆动空间；腿部末端连接轮毂电机，最终通过腿部摆动可以实现轮位的动态变化与车姿调整。

图1　轮腿式移动平台三维效果

结构特点：1)蜗轮蜗杆式动力传动使得驱动电机与腿部转轴垂直安装，节省了车体宽度，并有效解决了垂直冲击造成的被动旋转等问题；2)关节式悬挂系统使得当运动过程中遇到路面波动时，关节处弹簧阻尼系统可有效减小由于路面不平整而造成的冲击，保持整体稳定，实现对平台载负设备的保护。

1.2越障过程设计

假设轮腿部关节为刚性连接，忽略弹簧阻尼悬挂系统影响，轮腿结构在车体两侧轮毂电机作用下实现全向转动，依此设计摆臂动作，实现越障目的。

通常状态下，为保证平台运动的稳定，应选择重心较低的运动状态，当遇到较高平台时，在电机驱动下轮腿结构直立，使得平台获得较高车姿预攀高台，如图2(a)所示；而后，一只前腿旋转3π/2最终搭于台上，如图2(b)所示；另一只前腿跟随搭于台上，至此前腿均已置于台上，如图2(c)所示；轮毂电机驱动轮部转动，前移至后轮预攀状态，如图2(d)所示；两后腿分别旋转3π/2，逐个搭于台上最终就位完成，如图2(e)、(f)所示；通过驱动电机控制使得后腿归于正常车姿，如图2(g)所示。

图2　轮腿式无人平台分步式越障过程

2越障受力分析与动力需求

依据前述越障过程设计，为实现攀爬200 mm高台，需匹配动力驱动系统，亦即4轮腿驱动电机，实现腿部旋转与挺举上台动作以满足整套动作执行。为此，建立模型分析其受力特性与负载极限，最终获得极限受力情况作为动力驱动能力的参考指标。化简结构，给出以下假设条件：1) 在整个动作执行过程中，摆臂均为匀速转动；2) 轮部质量相比整车质量较小，除局部分析外，轮毂电机质量不计；3) 车身上部预计安装多种设备，依假设2)，视成型车体质心位于几何中心位置。

2.1腿部旋转受力极限分析

图3为单轮腿简化结构，其中：A为腿末端连接的轮毂电机轮轴中心；B为蜗杆转轴中心，命名蜗杆转轴为B轴；OB腿垂直B轴安装，通过蜗轮蜗杆机构连接到车体内部的轮腿转向驱动电机，在电机驱动下，转矩由蜗轮蜗杆传递至B轴，从而带动OB部分旋转；O为连接上、下2段腿式结构OA、OB的转动关节，整体构成一个单轮腿系统；OA、OB在关节处成角α=(150±15)°，使得移动平台在遭遇小型路面波动时，无需转向电机主动驱动旋转避障，关节O亦可被动转动而减缓路面冲击。为简化计算，忽略腿部结构和关节连接部分质量，视车体载荷后总重为G，轮部重力为GA；在分析轮腿结构绕B轴旋转的过程中，OA、OB的相对摆动较B轴旋转对车姿变化影响微弱，故忽略关节O处两侧相对转动的影响，即在分析越台时视O处关节为刚性连接；针对B轴受力分析时，可将A、O、B三点连接，视之为刚性三角形，则B轴转向驱动电机带动轮部旋转需满足转矩平衡[5]。即有

MB=GALABcosθ，

(1)

图3　单轮腿简化结构

式中：MB为轮部匀速旋转过程中B轴传递的电机扭矩；LAB为A、B点之间距离；θ为LAB与水平方向所成角度。由余弦定理可知

(2)

式中：LOA及LOB分别为O到A、B之间距离，关节连接固定为α=150°。

根据式(1)可得：当θ=0° 时，MB达到全周旋转的最大值，代入数值求得其值为3.605 N·m，故B轴转向驱动电机至少提供3.605 N·m转矩。

2.2越障受力分析

根据前述越障过程设计，分析越200 mm高台过程中的受力情况与最小转矩，获得满足设计性能的必要条件。图4为越200 mm高台受力分析。

图4　越200 mm高台受力分析

越台前，4轮腿结构均处于直立状态，其下底面距离地面150 mm，故此时达到依靠平台本体能够通过的最大高度150 mm。为了接触200 mm平台，需使其下底面在竖直方向上产生50 mm以上的位移,即使其重心位置完全通过平台边缘[6]。越障支撑过程为：一只前腿抬起，向后旋转直至前轮搭接于高台平面上，此时涡轮蜗杆保持自锁状态，各轮轴固定无法旋转，台上一前轮与2后轮接地以维持车体稳定；随后，另一只前腿跟随旋转，直至搭接于上台面；而后，2只前腿在前摆动电机作用下进行旋转，将车体支撑起来。

由于有前侧2电机驱动承担支撑动作，则因重力作用所产生的扭矩按一半值进行计算，又由于整车竖直方向对称，故只需分析单侧受力情况。以后轮与地面接触点D为参考点[7]，视其摆动全过程为匀速旋转，则满足力矩平衡条件，即

(3)

式中：N为上平台与轮部的正压力；h为上平台距地面高度；LM为后轮直立状态下重心与后轮腿在竖直方向距离；f=μN ，为平台提供的水平方向摩擦力，μ 为地面摩擦因数，取μ=0.3;

γ=arcsin[h-LAB(1-sinδ)]/L,

(4)

为车体与水平方向所成角度，其中r为车轮半径，L为车体长度。

假设车身重心位于车体部分的几何中心C，在爬越过程中，车体转动，重心抬升，视重心相对车体位置不变，β 为车体重心相对车体底面的倾角大小，则

β=arctan(H/L),

(5)

式中:H为上车体高度。

而后求解重心与后轮腿在竖直方向距离LM：

(6)

获得前侧单个摆动电机的转矩MB：

MB=NLABcosθ+f(r-LABsinθ)。

(7)

综合全向旋转和双轮支撑越台受力极限分析可得：为使上述轮腿式移动平台实现越障性能，在后腿部驱动电机和轮毂电机作用下，无人平台可通过200 mm高台。

3支撑上台动作仿真验证

根据前述动作，使用MATLAB软件求解旋转支撑越台过程中MB随θ的变化曲线,如图5所示，可知:当θ=-18.8°时，MB具有极大值，为4.93 N·m。

图5　旋转支撑越台过程MB随θ变化曲线

使用动力学仿真软件ADAMS对越台过程进行分析，研究其前摆臂电机带动轮部转动过程，由初始状态——前腿水平搭接台面，至终止位置——质心高度超越台面高度，即θ=±30°范围摆动下，前摆动电机需要提供的最小力矩。

图6为旋转支撑越台动作ADAMS仿真。旋转支撑起始状态如图6(a)所示，可见：2前轮搭接于台上，车身呈水平姿态。在模型摆臂关节由起始位置开始施加一匀速转动角速度1°/s，旋转过程重心提高，即满足通过高台要求，如图6(b)所示。而后使用Measure模块测量转轴处提供的力矩，在 Post Processor模块得到MB随θ的变化曲线，如图7所示。可以看出：旋转-16°附近时产生最大转矩，可知此时所需转矩为4.82 N·m，与理论值相差2.3%。出现误差的原因可能为：一方面仿真模型的接触约束存在一定弹性，与理论分析中的纯刚性力学模型有差异；另一方面，在受力分析过程中，视车体质量集中于质心一点，与ADAMS模型的整体质量分布有差异。

图6　旋转支撑越台动作ADAMS仿真

图7　在Post Processor模块得到的MB随θ变化曲线

参考文献：

[1]高英丽, 吴新跃, 吴镇炜. 六轮腿复合型移动机器人越障分析及机构设计[J]. 机械设计与制造, 2013,(6): 171-173.

[2]Wettergreen D, Moreland S, Skonieczny K. Design and Field Experimentation of a Prototype Lunar Prospector[J]. The International Journal of Robotics Research, 2010, 29(12): 1550-1564.

[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]王红梅, 张明路, 张小俊. 新型八轮腿复合移动机器人动力学分分析与控制[J]. 中国机械工程, 2012, 23(23): 2858-2863

[5]罗洋, 李奇敏, 温皓宇. 一种新型轮腿式机器人设计与分析[J]. 中国机械工程, 2013, 24(22): 3018-3023.

[6]乔凤斌, 谢霄鹏, 杨汝清. 基于准极限理论的排爆机器人直流电动机选择[J]. 上海交通大学学报, 2005, 39(6): 892-894.

[7]陈殿生, 黄宇, 王田苗. 轮式腿型机器人的越障分析与仿真[J]. 北京航空航天大学学报, 2009, 35(3): 371-375.

(责任编辑: 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

文章编号：1672-1497(2016)02-0032-04

收稿日期：2016-01-06

基金项目：军队科研计划项目

作者简介：丛华(1966-)，男，教授，博士。

中图分类号：TP242

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.02.007