行走越障装置关键技术研究

1、行走越障装置关键技术分析中国矿业大学机电学院 机械工程及自动化）摘要 ：为研究性能优越的探测器行走越障装置，基于各种路面的环境特征，同时考虑对变 径轮性能的切实运用，确定了基于可变径轮的探测器行走越障装置应具有的功能。对以往 的轮式、腿式、和各种综合的移动系统进行分析和总结，确定一种切实可加工制作同时又 具有较优性能的方案。通过深入研究系统结构，得出各主要功能部件的性能参数，并对行 走机构、悬挂系统，驱动方式及整体集成方法进行了探讨。关键字： 探测车、可变径轮、悬架、轮腿式、摇臂亠 、/.0 前言探测器是特别工况下执行工作的设备，它包括 各种星球探测车、救灾机器人、排爆机器人等自主 移动系统。

2、特别工况环境下地形条件复杂，探测设 备要在这种条件下工作，必须具备适应性强、性能 优越的移动系统，因此移动系统设计是探测器设计 的关键。对此分析了几种典型的地形环境，提出基 于可变径轮的探测器行走越障装置应具有的功能， 对以往的轮式、腿式、和各种综合的移动系统进行 分析和总结，确定一种切实可加工制作同时又具有 较优性能的方案。基于可变直径车轮的探测机器人行走越障装置 设计与控制研究是在完成行走主部适应性调整 轮径式越障车轮优化设计的基础上，针对变径轮 性能的切实运用和综合探索探测机器人越障性能的 要求提出的。针对探测机器人的各组成部分，选择 和运用新的悬架与车体结构，运用系统思想综合各 部，完

3、成探测机器人的设计。1 典型地形环境在探测器移动系统设计过程中，工况环境既移 动系统可通过的典型地形环境必须考虑。典型的地 形包括台阶障碍、地形凸起、壕沟、松软土壤、随 机波动路面、平整路面、不等高、上下坡等，具体 环境又有差别，如月球表面 【1】【 2】主要覆盖着一层 由岩石碎块、角砾状石片、砂和灰土等组成，又如 由表面硬质成分构成的随机波动路面，易于下陷的 松软土层。大多情况下，探测器要下以上各种综合 工况下工作，同时考虑温度、湿度、尘土等对性能的影响 ，将引起部件发热、构件卡死、磨擦磨 损、密封失效等问题。2 探测器性能要求 要在以上环境条件下工作，探测器要具有灵活 的避障、越障及活动各

4、种状态的变换能力，同时保 证各功能执行可靠。避障能要求导航和控制系统灵 敏有效，越障能力体现在抗倾覆、爬坡、过沟壕等 穿越不平整路面的能力，既要求底盘结构灵活、驱 动和轮系布置合理，机动性能好，各种状态变换能 力指，针对不同工况灵活的调整车体和功能，以达 到对各种路况的适应。本探测器最终确定基于可变 径轮，即要选择设计最佳的悬架系统将已有的变径 车轮集成，使车轮与悬架的功能集成，发挥最佳的 效果。已设计的变径轮有调 整变径范围参数，小 径状态下如普通刚性车轮，适合于平整路面与松软 的土壤运行，变径过中轮片有冗余自动度具有一定 的缓冲吸振的作用，适合于由表面硬质成分构成的 随机波动路面运行，最大

5、径可抬高车体，越过较高 的障碍，同时可完成一些极端条件下的自救。因此 各种工作状态的变换能力应当成为本设计的一大特 色。对此分析期望探测器达到如下性能【 3】 ：单轮通过最大垂直障碍：h hmax=100mm=100mm ；直轮直径小于200mm200mm ；车轮质量小于 6kg6kg ；车体矩形麦长方体布 置；总质量不超过 120kg120kg ，车身底盘与路面最小垂 直距离 H H min=120mm=120mm 。在以上性能要求下选取悬架 类型、变径车轮数目、非变径轮数目npnp驱动轮数目n nd、转向轮数目n n。、车轮直径 d d、变径范围d dmax、转弯方式等，并研究驱动方式，以

6、及各部件的总成。为了减少控制的复杂性，限制控制变量在1515个以内，分为变径控制、驱动控制、转向控制，悬 架模态变化控制。3轮式移动系统类型轮式移动系统作为量常用的驱动型式，以驱动 效率高、运行平稳、控制简单等优点得到广泛的运 用，如火星车勇气号、美国的阿波罗1515、1616、1717号和前苏联的1717、2121所使有的月球控测器均为轮 式移动系统。轮式移动系统迅速平稳，尽管比较合 较平坦的路面环境，但可通过配合适当的悬架系统 在不平的路面上充分发挥性能。轮式系统按车轮的数量可分为三、四、五、六 及多轮，各种车型如图1 1 ;按轮体形状是否可变可分为可变直径轮和定直径轮以及变几何轮；图1不

7、同车轮数量的探测器3.13.1六轮摇臂式移动系统六轮摇臂- -转向架式移动系统【4】具有较强的适应 性和越障性能，典型代表有火星探测车勇气号、美 国JPJP实验室研制的rockyrocky系列探测车。具本结构 如图2 2，该车体六个车轮能单独绕过岩石，而保持 车体不完全倾斜。f f AUttAUtt方向后犀琦轮中事功絶新誓功料I I圧迷甌2 2摇宵：3 3骰搖点；斗转向轴；5 5转向架；殆后轮；7 7屮轮；胃阿轮；9 9偏餐耳图2六轮摇臂-转向架式移动系统 摇臂转向架样机【5】与机构示意图如图2 2示，机构 系统由摇臂、转向架和差速器组成，两侧摇臂通过 差速器与车体相联，单侧摇臂的前端与前转向

8、驱动 轮相联，后部通过铰链与转向架相联，转向架的前 端与后端分别与后轮和中轮相联。六个车轮独立驱 动，两年前轮和两个后轮具有独立的转向功能。车 体中心与差速器中心相联，该车体结构特点是：行 走是悬架机架被动适应地面，由于两侧摇臂通过差 速器联接，两侧摇臂受载均匀，两侧摇臂通过差速 器与车体相联，使得车体的俯仰角为两侧的平均 值，运行更加平稳；前后两轮分别具有独立的转向 功能，可以实现原地转向，转向灵活占用空间少。 轮式移动系统的六轮摇臂转向架机构的设计及研究 是近来研究的难点与热点。近期的研究主要是针对 具体的环境对车体结构参数进行优化，以达到最侍 性能。3.23.2轮腿式驱动系统多驱动模式的

9、轮腿式机器人，可运用于非结构化环 境，它具有以下特点：1 1 ）平坦路面上行驶时具有高速度，低功耗的特性；2 2）在非结构化的环境、台阶和楼梯等结构化环境下通过性能好，车轮可实 现高速和高效驱动，独立的摆腿可翻越效高的障碍 和较好的适应性，既综合轮式、腿式机器人的特为了减少车体结构的设计工作，轮腿式机器人 普遍采用模块化设计，即将车轮与摆臂组合设计成 单独安装的模块，再将单独的模块合理地集成，组 成车体。模块化思想的核心是把复杂的系统转化成 许多简单的模块组成，它的优点是有利于系统的设 计和分析，各功能模块之间独立装配，互不干扰。为此本设计方案拟采用模块化思想，将变径轮 变径驱动、驱动转动给合

10、成一个模块，同时利用摆 臂把各个驱动单元集成，摆臂最多运用两个控制变 量以减少控制难度，既转臂运用弹性元件实现缓 冲，驱动，同时各个转臂之间用杆件连接，以实现 各轮的联动，减少因地形凹凸而引直的车体质心波 动，因此设计重点和难点落到 变径与驱动模块设计 与集成臂架的设计。3.33.3变径驱动轮系统变径驱动轮是本设计的一关键部件，要求轮体 直径可实现1-1.41-1.4倍轮径的变化，同时还要具有驱 动功能，在轮径变大的过程中在轮径变化的同时还 有将车体抬起，故驱动变径的功率和驱动力要求较 大，如果单独设置变径的驱动电机与减速器将会使 车轮结构复杂，质量大，控制不方便，同时可靠性 也会因机械与控制

11、环节的延长而降低。考虑到驱动 车轮转动的电机功率与驱动力大，可通过适当的变 换装置将驱动电机驱动作用在驱动车轮转动与驱动 变径之间变换，具体实施如下：1 1、驱动变径的轮盘与驱动轴用键联接，当变径点，并实现集成特性；3 3 ）可在不同地形条件下改变运动模式典型的轮腿式机器人图3 3。图3典型的轮腿式探测器时，变径轮机架与车体机架用一锁销式离合器车轮转动时断开，变径时联接的装置，可是离散的也 可是连续的）连接，同时变径轮机架与驱动轴联接 离合器断开联接，如 b b图示。2、驱动轴与变径轮机架用离合器联接，驱动车轮 转动时离合器接合 同时驱动变径的轮盘与变径轮 机架联接，使轮径状态锁定），电机功率驱动车轮 转动。驱动变径时离合器断开，电机驱动车轮变 径。具体工作状况如图 5 5a a）所示。两离合器用舵机实现操探和联动，通过车体上 单机片机的脉宽控制舵机转角，从而实现两个离合 器的联接与锁止关系。（a驱动车轮滚动状态图4拟采用的臂架结构b）驱动车轮扩径状态 图5变径轮各功能状态导轨支搏装置k號力滚动轴車变径轮内部不能放置驱动装置，故可选用驱动电