轮腿式可变形车轮设计及整车控制研究

耿雪晴　吴孟武　华林

摘要：针对当前复杂地形与路况对整车机动性及越障能力的需求，设计了一种轮腿式可变形车轮结构，该车轮结构可在不同地形与路况下进行轮式与腿式的状态转换。介绍了可变形车轮的设计原理并对结构参数进行了计算与优化，分析得到了轮腿式可变形车轮最大变径比。设计了一套简单有效的轮腿式可变形车轮智能变形控制系统，并据此开展整车布局设计，分析整车运动过程。制作并搭建了样车平台，通过实验测试了整车的机动性与越障能力。结果表明该变形车轮可在轮式与腿式状态下快速智能转换，使得整车系统可同时在结构化与非结构化路面稳定行驶，具有较高的机动性与越障能力。

关键词：可变形车轮；最大变径比；智能转换；整车控制

中图分类号：TH122

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.12.007

Study on Design of Wheel-leg Deformable Wheel and Vehicle Control

GENG Xueqing WU Mengwu HUA Lin1，2

Abstract： In view of the demands of vehicle mobility and obstacle-crossing ability in complex terrain and road conditions， a deformable wheel structure was designed with the characteristics of switching between wheeled and legged states under different terrain and road conditions. The design principle of the deformable wheel was introduced and the structural parameters were calculated and optimized， the maximum diameter ratio of the wheel-leg deformable wheel was obtained. A set of simple and effective wheel-leg deformation control system was also designed. And then the vehicle layout design and movement process analysis was carried out. Finally， a prototype vehicle platform was made to verify the mobility and obstacle-crossing ability by physical experiments. The results show that the deformable wheel may be quickly and intelligently switched between wheeled and legged types， which enables the vehicle to run stably on both structured and unstructured roads， resulting in a high mobility and obstacle-crossing ability of the vehicle system.

Key words： deformable wheel； maximum diameter ratio； intelligently switch； vehicle control

0 引言

結构化路面一般是指背景单一的城市干道或高速公路，而类似山石地形、沙坑泥泞路面等无法预估且多变的路面则称为非结构化路面［1］。现有车辆通常采用轮式车轮或履带式车轮，其中轮式车轮多适用于结构化路面，行驶速度快且平顺性好，但难以穿越复杂地形与路面；而履带式车轮多行驶于山石地形，具有高机动性，但越障能力不足，且速度与平顺性较差。因此，当前车辆难以同时满足快速、高机动性与越障能力强、平顺性好等要求。而在军事侦察或自然灾害（如泥石流、地震等）救灾抢险场景中，车辆通常面临复杂的地形与路况［2-3］。随着机构学与控制技术的不断发展，可变形车轮的概念应运而生。与传统结构形式的车轮不同，可变形车轮可以在不同地形与路面上进行状态转换，而装载有这种可变形车轮的整车综合性能如机动性与越障能力等得到大幅提高，因此可变形车轮及其整车的设计与控制成为当前国内外的研究热点［4-6］。

已有研究中将可变形车轮分为多种类型，按复合方式可分为足履复合式、轮履复合式、轮足复合式；按外形结构则分为固定结构异形车轮及动态变形车轮［7］。国外对可变形车轮的研究较早，如以色列埃尔比特系统公司的“VIPER”轮履复合式变形车轮，其履带可变形收缩成三角形，便于穿越山石地形［8］；日本东京工业大学的“Roller-Walker”轮足复合式变形车轮在四条腿末端加装被动轮用以实现轮式滚动或腿式移动，从而可在不同路面上行驶［9］；日本大阪大学也提出了一种具备轮足两种形态的变形车轮，通过重构将轮式转变为足式［10］；加拿大舍布鲁克大学的“AZIMUT”足履复合式变形车轮采用摇杆式腿式设计并在每条腿上加装履带［11］；日本千叶工业大学的“Quince”同样采用的是足履式设计，将车轮设计成一种摆臂形式［12］；而美国佐治亚理工学院则设计了“仿蜥蜴式”单片弧形结构异形车轮［13］。国内一些高校和研究机构也针对可变形车轮及其整车开展了相应研究，如孙鹏［14］研制的装有轮履复合式变形车轮的森林巡防整车系统、范明聪等［15］研制的新型六轮腿机构、田润等［16］研制的采用三根弧形辐条组成的轮腿式异形车轮、王书琦等［17］研制的“仿蜘蛛式”四足仿生车轮结构以及CHEN等［18］研制的TurboQuad系列变形车轮。

通过分析以上多种类型的可变形车轮可以看出，固定结构异形车轮如仿生式弧形结构车轮越障能力强且可以缓冲减振，然而由于其不具备完整轮形，在结构化路面上行驶时速度较慢、平顺性较差，且当整车移动时，由于其轮式状态不规则，容易发生失稳现象。在动态变形车轮中，轮履复合式车轮既具备了轮式的快速移动特性，也兼具了履带的高机动性，但其越障能力有限，环境适应能力较差，且状态切换比较复杂，难以在短时间内迅速切换；足履复合式车轮的稳定性好、越障能力优良但运行不够灵活；而轮足复合式车轮具有优越的越障及环境适应能力，但已有研究中其结构形式复杂，控制不够简便，且当其切换为足式时，轮式通常不能收起，导致机构繁杂不便。因此，开展轮足复合式可变形车轮的结构设计及其整车控制研究具有重要的理论意义和实际应用前景［19］。

基于轮腿（足）式可变形车轮的优点，本文设计了一种可变形车轮结构，该车轮结构可以在轮式和腿式之间自由转换，以同时适应结构化和非结构化路面。在可变形车轮结构参数计算与优化的基础上，研究车轮自主变形触发方式及其整车控制策略，制定整车布局方案。最后，制作并搭建实物样车平台，通过实验验证整车性能。

1 轮腿式可变形车轮结构设计与优化

轮腿式可变形车轮的结构设计是优化整车越障能力和运动稳定性的基础及关键，对整车综合性能如平顺性、机动性及越障能力等具有重要的意义。

1.1 车轮结构设计

目前关于轮腿式可变形车轮的基本构型主要分为三类：曲柄连杆（或曲柄滑块）型［20］、销槽型［21］、四连杆型［22］。其中，销槽型结构摩擦力大且变形不易，四连杆型的结构复杂，而曲柄连杆型的结构最为简单有效。研究对心曲柄连杆机构构型发现，可以将滑块的往返直线运动转换为曲柄的回转运动，图1所示为对心曲柄连杆机构构型原理。曲柄在OA′C′与OAC之间做往复旋转，通过连杆带动滑块在B′与B之间做往复运动。分析可知，改变滑块位置可以改变车轮的状态，使得车轮直径发生变化，从而得到车轮腿式状态下的等效直径与圆轮状态下直径之比，即变径比。而变径比是衡量整车越障能力的重要指标。因此，本文最终选用对心曲柄连杆机构作为所要设计的可变形车轮的基本构型。

确定基本构型后，进行可变形车轮结构详细设计。综合考虑轮式与腿式结构状态转换的简便性以及腿式车轮运动的平稳性，车轮在圆轮状态下分为三段，对应腿式状态下的三条轮腿。图2所示为设计的轮腿式可变形车轮详细结构，可以看出可变形车轮主要包括内轮辐、外轮辐、连杆、拉杆、轮腿五个部分，整体呈轴对称形式。基于对心曲柄连杆构型，图2中内轮辐即为构型中的曲柄部分，以连杆与轮腿连接点作为滑块部分，并在外轮辐结构中设置直槽，使得滑块在槽内往复直线运动，结合拉杆与轮腿的连接作用，通过旋转内轮辐即可以实现车轮在轮式与腿式状态之间的转换。为了减小摩擦，提高可变形车轮状态转换的灵活性与可靠性，各部件之间采用铰链连接形式，并在轮腿与连杆连接处加装轴承，使得滑块在直槽内往复运动更为灵活。同时为避免可变形车轮在状态转换过程中出现过度变形而造成车轮机构锁死或干涉，在内轮辐辐条顶处设计了限位凸台。

本文设计的轮腿式可变形车轮以圆轮状态为源结构，图3为可变形车轮结构变形前后示意图，固定外轮辐不动，通过旋转内轮辐使得内外轮辐发生相对转动，并通过内轮辐的旋转带动连杆推动滑块在外轮辐直槽内直线运动，轮腿另一侧通过拉杆固定，最终切换成图3b所示的腿式状态。

1.2 车轮结构参数计算与优化

根据设计的可变形车轮结构，外轮辐直槽顶点位置不能超过车轮在圆轮状态下的轮腿外缘面，且根据对心曲柄连杆构型原理，滑块运动极限位置即为曲柄连杆处于一条直线上时连杆顶点处的位置，此时车轮轮腿可展开程度达到最大，也即此时轮腿式可变形车轮变径比取得最大。图3中，A（B）、B′（A′）、B″（A″）三点为内轮辐三个支点，C点为销槽极限位置点，E、D两点分别为单轮腿前后端点，E′、D′点为轮腿展开后端点，且D′点为轮腿展开最高点。可变形车轮结构在任何时候都呈轴对称形式，三条轮腿是等效的，且同步变形，因此选取其中一个轮腿进行参数计算即可。

由式（6）可看出β达到最大值时，轮腿可展开至最大幅度，此时可变形车轮变径比最大。由于拉杆E′F限制，β最大约为145°，由此计算式（4）中的变径比λ可得最大变径比约为1.8，表明该轮腿式可变形车轮展开后车轮等效直径为圆轮的1.8倍，因此本文所设计的轮腿式可变形车轮具有优越的越障能力。

2 整车控制与布局

2.1 整车控制

为提高整车机动性及灵活性，并简化轮腿式可变形车轮变形控制方式，需要设计一套变形触發装置控制车轮在轮式与腿式之间转换。如图4所示，整个触发装置主要由电机、驱动齿轮、锁定轴、内轮辐联轴器以及微型电磁离合器组成。当整车在结构化路面上行驶时，微型电磁离合器不通电吸合，外轮辐未锁定，电机驱动齿轮带动内轮辐转动，外轮辐随之同步转动，内外轮辐不发生相对转动，此时可变形车轮处于圆轮状态；当整车处于非结构化路面，如遇到山石地形或者沙坑泥泞路面时，微型电磁离合器通电吸合，通过锁定轴锁定外轮辐，电机驱动齿轮带动内轮辐转动，内外轮辐发生相对转动，当内轮辐转过120°后，可变形车轮转换为腿式状态，此时驱动整车跨越障碍或其他复杂地形。这种触发机制可以有效实现可变形车轮在轮式与腿式之间的转换，且不增加额外驱动，简化控制方式。

整车选用Robomaster C板作为电机控制器，Robomaster C板采用高性能STM32主控芯片，并选用M3508电机作为驱动电机，单电机的最大扭矩可达5 N·m，减速后额定转速为469 r/min，持续扭矩可达2.8 N·m，符合整车运动特性要求。根据整车车轮分布式驱动需求，选用了C620电调，参考其原理，可变形车轮整车底层控制采用CAN总线技术。

图5所示为轮腿式可变形车轮整车控制系统架构。根据设计的可变形车轮变形触发装置，需要加装可以控制微型电磁离合器吸合的器件。结合可变形车轮智能自主变形的需求，选择超声波传感器用以识别整车在行进过程中遇到的复杂地形或障碍物，进而将信号转化为电信号传递给延时继电器用以控制电磁离合器的吸合，从而自主判断并完成车轮变形动作。图6为超声波传感器探头及其安装位置示意图，探头安装在车架前端位置，2个超声波传感器采集的信号分别用于控制左右两边车轮的变形。

2.2 整车布局

整车采用左右对称式布局，前部装有两个轮腿式可变形车轮，两后轮则采用普通结构圆轮，可以支撑整个车架部分。图7所示即为前部装有两个轮腿式可变形车轮的整车系统，车架部分设计成前低中高后低的结构形式，提高了整车底盘的通过性。另外，车架部分多处挖空可以有效减小整车质量。

确定好整车的控制系统及布局后，分析輪腿式可变形车轮整车运动过程。图8所示为整车遇到障碍后，通过智能控制执行车轮变形动作，车轮转换为腿式后翻越障碍物的过程，整个过程可分为以下4个步骤：

（1）圆轮状态车轮行驶到障碍物前一定距离，当此距离小于超声波传感器设定的距离时，超声波传感器发送电信号触发车轮变形；

（2）微型电磁离合器吸合，通过锁定轴锁定外轮辐，此时驱动电机持续转动引起内外轮辐的相对转动，使得车轮由圆轮模式变换成轮腿模式；

（3）车轮变换到轮腿模式极限位置后，驱动电机继续转动，带动变形轮往上攀爬，直至整车越过障碍物；

（4）车轮越过障碍物后，通过电机反转，在整车自身重力作用下使车轮由轮腿模式转变成圆轮模式，然后电机正转继续前行。

3 样车搭建与实验测试

为使整车搭建更简便灵活，同时不影响整车设计功能，样车制作时采用了3D打印工艺加工完成主要部件，如车身、车架、两后轮等。对于强度及配合精度要求较高的部件，如驱动轴、传动轴、变形车轮以及齿轮等，则采用铝合金材料机加工制作而成。整车模型运用CATIA三维软件绘制如图9所示，整车平台相关参数详见表1。样车实验主要对整车的设计功能和性能进行验证，包括可变形车轮轮式与腿式状态智能自主转换的动作稳定性、响应时间以及整车的越障能力等。

图10为轮腿式可变形车轮实物图，其中图10a所示为可变形车轮的圆轮状态，图10b所示为可变形车轮的腿式状态。将可变形车轮装车后进行状态转换控制实验，其变形过程与前述理论分析一致，实验结果表明本文设计制作的轮腿式可变形车轮能够灵活完成其主动变形，轮腿式状态转换可在1.5 s内完成。

整车越障实验过程如图11所示，可以直观地反映整车越障能力。以距障碍物500 mm处作为

整车起始位置，对整车越障过程中整车移动距离、可变形车轮半径变化及所对应的时间进行测算，并根据测算结果绘制出图12。

结果显示，整车整个越障过程耗时4 s，可分为以下四个阶段：

（1）0～0.5 s，圆轮正常行驶及轮腿式触发阶段。整车上的超声波传感器检测到车身与障碍物的距离在300 mm内时，信号传递给主控制器，触发可变形车轮变形机制，开始进入轮腿式状态转换阶段。

（2）0.5～1.5 s，变形阶段。电机继续旋转，内外轮辐发生相对转动，促使车轮持续变形，可变形车轮完成由轮式向轮腿式的转换。

（3）1.5～3.0 s，越障阶段。整车车轮在轮腿模式下，电机继续旋转，变形轮腿越过障碍物，继而带动整车越过障碍物。

（4）3.0～4.0 s，变形恢复阶段。整车越过障碍物后，电机反转，可变形车轮依靠整车自重由轮腿式恢复至轮式，然后电机正转整车向前行驶。

上述实验结果表明，基于本文设计的轮腿式可变形车轮智能变形控制系统，样车在遇到障碍物后能够快速触发并完成可变形车轮的智能自主变形，然后带动整车翻越障碍，大大提高整车的机动性与越障能力。

4 结语

本文设计了一种可变形车轮，该车轮结构简单，能够在轮式与腿式之间灵活转换，可变形车轮最大变径比可达1.8。同时设计了一套简单有效的轮腿式可变形车轮智能变形控制系统，不需要增加额外驱动，能够快速实现可变形车轮在轮式与腿式之间的智能自主转换。实物样车搭建与测试结果表明，可变形车轮能够在1.5 s内灵活完成轮腿式状态转换，样车在4 s内完成越障过程，机动性与越障能力较高。

鉴于本文所设计及制作的样车仅两前轮采用可变形车轮，两后轮仍设计为普通圆轮形式，因此在越障高度上具有一定的局限性。后续将对样车进行改进，整车四轮均加装可变形车轮并采用不同高度的障碍物对样车进行越障测试。此外，对于超高障碍物，后续将研究并加装自动避障与转向系统，以进一步提高整车在复杂地形与路况下的机动性及越障能力。

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（编辑 王艳丽）

作者简介：

耿雪晴，女，1998年生，硕士研究生。研究方向为现代汽车设计与制造。

吴孟武（通信作者），男，1984年生，副教授。研究方向为汽车轻量化设计与成形制造技术、汽车循环利用与再制造技术、特种制造与智能制造技术。E-mail：wumw@whut.edu.cn。

收稿日期：2022-05-08

基金项目：教育部创新团队计划（XDQCKF2021011）；新能源汽车科学与关键技术学科创新引智基地项目（B17034）