一種大負(fù)載的變形輪設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)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(jī)器人作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性、越障性和環(huán)境適應(yīng)性等特性提出了更高的要求。其中：輪式行走機(jī)構(gòu)具有較高的機(jī)動(dòng)性，但行動(dòng)易受地形環(huán)境限制；履帶式行走機(jī)構(gòu)具有越野性能 好、爬階梯、越障以及通過(guò)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其能耗大、靈活性差且工作效率低。輪履復(fù)合式機(jī)構(gòu)兼具輪式和履帶式的優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)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(fù)合式移動(dòng)底盤(pán)[1-5]。

曹沖振等設(shè)計(jì)了一種輪履復(fù)合式爬樓輪椅，在輪椅前后分別裝配輪式和履帶式行走機(jī)構(gòu)，較好地實(shí)現(xiàn)了輪椅上下樓梯的功能[6]。胡軍中等開(kāi)發(fā)的輪履復(fù)合式車(chē)輪，可以進(jìn)行平地輪式、履帶式運(yùn)動(dòng)以及上下坡運(yùn)動(dòng)，靈活性和機(jī)動(dòng)性顯著增強(qiáng)[7]。但是，目前這類(lèi)機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于小負(fù)載的移動(dòng)載體，缺乏大負(fù)載的變形輪移動(dòng)載體的研究。本文以大功率破拆機(jī)器人為背景，設(shè)計(jì)了一款大負(fù)載變形輪體，有效發(fā)揮了履帶式和輪式行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，負(fù)載能力大，越野性能好，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。

1 變形輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)機(jī)理

1.1 變形輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)輪式和履帶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)切換。單輪負(fù)載大于2 t。在輪式狀態(tài)下，變形輪需具有較高的運(yùn)動(dòng)速度和較低的能耗。在履帶式狀態(tài)下，變形輪應(yīng)有足夠的接地面積和驅(qū)動(dòng)力。

基于以上要求，本文提出的輪履復(fù)合式變形輪總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個(gè)變形輪包括驅(qū)動(dòng)模塊、變速箱和輪體3 部分。其中：驅(qū)動(dòng)模塊為輪體運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力；變速箱進(jìn)行兩種運(yùn)動(dòng)模式切換；輪體為變形輪工作和變形的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)模式切換指令進(jìn)行圓形和三角形運(yùn)動(dòng)狀態(tài)切換，直接與地面接觸，并與地面摩擦產(chǎn)生前進(jìn)動(dòng)力。

1.2 工作原理

變形輪工作原理如圖2 所示。輪式行走時(shí)，輪轂與中心軸連為一體，變形油缸伸出，帶動(dòng)變形瓣將履帶撐開(kāi)至圓形狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)中心軸旋轉(zhuǎn)將動(dòng)力傳遞至履帶鏈輪，驅(qū)動(dòng)履帶及所有構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)。

履帶式行走時(shí)，輪轂與中心軸分離，變形油缸縮回，帶動(dòng)變形瓣將履帶回縮至三角形狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)中心軸旋轉(zhuǎn)將動(dòng)力傳遞至履帶鏈輪，驅(qū)動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)，其他構(gòu)件（輪轂等）保持靜止。

1.3 行走性能分析

設(shè)整車(chē)滿(mǎn)載質(zhì)量為G，考慮地面高低不平，設(shè)安全系數(shù)為K，則單個(gè)輪子支撐力Fs為：

1.3.1 履帶行走工況

當(dāng)采用履帶式行進(jìn)時(shí)，其驅(qū)動(dòng)模塊至履帶傳動(dòng) 比為：

平地行走，忽略風(fēng)阻，設(shè)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(dòng)輪分度圓直徑。

則驅(qū)動(dòng)模塊的輸出扭矩為：

驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)速為：

1.3.2 輪式行走工況

履帶變形圓形后，驅(qū)動(dòng)輪為整個(gè)輪。設(shè)圓形輪的直徑為D，此時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)裝置到輪體的傳動(dòng)比為：平地行走，設(shè)輪式與地面的摩擦系數(shù)為φ′，則單輪需要的牽引力為：

驅(qū)動(dòng)模塊的輸出扭矩為：驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)裝置輸出扭矩為792.9 N·m，輸出轉(zhuǎn)速為 83.6 r·min-1，滿(mǎn)足要求。

2 變形輪試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證大負(fù)載變形輪性能，1 ∶1 加工變形輪，并搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行變形功能和測(cè)功測(cè)試（如圖4 所示），其中測(cè)試時(shí)測(cè)功機(jī)通過(guò)變速箱、第四軸和第四軸上的傳動(dòng)齒輪與變形輪連接。測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)測(cè)功機(jī)動(dòng)態(tài)施加反向扭矩來(lái)測(cè)試變形輪的負(fù)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(jì)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(cè)功機(jī)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(cè)功機(jī)反向扭矩不大于66.1 N·m，變形輪能正常運(yùn)轉(zhuǎn)即可。

2.2 試驗(yàn)結(jié)論

履帶工況下變形輪在壓強(qiáng)為25 MPa、轉(zhuǎn)速為 560 r·min-1的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)，給測(cè)功機(jī)動(dòng)態(tài)施加反向扭矩，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所示。其中：Uab、Ubc、Uca是變形輪端油泵電機(jī)參數(shù)；Tt為測(cè)功機(jī)扭矩；N 為第四軸轉(zhuǎn)速。

從表1 可見(jiàn)：在扭矩73.1 N·m 時(shí)，變形輪仍可正常轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?jiàn)，變形輪三角履帶狀態(tài)下的牽引力滿(mǎn)足要求。

表1 履帶式工況平地模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)變形輪總體結(jié)構(gòu)、變形原理及關(guān)鍵機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)圓形和履帶運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比分析，最后搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，變形輪可以在大負(fù)載工況下實(shí)現(xiàn)輪式和履帶式的自由切換和運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)負(fù)載滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。本變形輪可應(yīng)用于特種機(jī)器人等重型載具，有助于提升特種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能和復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。