岳榮剛

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京100094)

宋凌珺

(北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)

王少萍

(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191)

隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多國(guó)家推出了行星探測(cè)計(jì)劃.行星表面環(huán)境惡劣，且充滿了不確定性，采用行星探測(cè)車代替人類完成探測(cè)任務(wù)是安全可行的.各國(guó)研究人員研制了多種探測(cè)車，如履帶式、腿式和輪式等等［1］.輪式探測(cè)車運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，帶載能力強(qiáng)，是當(dāng)前探測(cè)車的主流［2］.為了使探測(cè)車適應(yīng)復(fù)雜地形，研究人員將注意力集中在探測(cè)車整體設(shè)計(jì)上，對(duì)車輪的研究相對(duì)較少.目前研制的探測(cè)車車輪主要有以下5種形式.

1)傳統(tǒng)圓形車輪:外形是傳統(tǒng)的圓形，周向均布橫向或斜向條紋，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向靈活，但難以翻越高度超過(guò)車輪半徑的臺(tái)階.美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)開(kāi)發(fā)的火星探測(cè)車 Sojourner［3-4］，F(xiàn)IDO［5］，Spirit［6］，以及日本的 Micro5 火星車［7］均使用了這種車輪.

2)彈片式車輪:這種車輪也是圓形的，不同的是它的行走機(jī)構(gòu)為周向均勻分布的薄彈片.該車輪與第1種車輪相比增加了一定的緩沖功能，能翻越高度略超過(guò)車輪半徑的臺(tái)階，其代表為日本東芝公司的火星探測(cè)車車輪［8］.

3)腿式車輪:綜合了腿與輪的優(yōu)點(diǎn)，但需要增加驅(qū)動(dòng)腿運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，且控制比較復(fù)雜，其代表有Case Western Reserve University的Whegs樣機(jī)系 列［9］、RHex 機(jī)器人［10］、UPenn University 的Sandbot［11］，泰國(guó)［12］和歐洲［13］也有類似設(shè)計(jì).

4)膨脹輪:充氣后是一種圓形輪，其直徑相當(dāng)大，可使探測(cè)車在極端崎嶇的地形行走，充氣胎可兼做緩沖器，但需要特殊充氣源，如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所的膨脹輪［14］.

5)行星輪式車輪:每個(gè)車輪由3個(gè)小行星輪構(gòu)成，在平坦地面運(yùn)動(dòng)時(shí)，2個(gè)小行星輪觸地，遇到較大的障礙或臺(tái)階時(shí)，3個(gè)小行星輪繞其公共中心旋轉(zhuǎn)以越過(guò)障礙或臺(tái)階，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)向困難，代表為哈爾濱工業(yè)大學(xué)的行星輪式車輪［15-16］.

6)變直徑車輪:該車輪可在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下變化車輪直徑，提高通過(guò)能力，但車輪在最大直徑下工作時(shí)多邊形效應(yīng)明顯，影響探測(cè)車的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，代表是北京航空航天大學(xué)的變直徑車輪［17］.

7)跨步輪:前蘇聯(lián)研制，利用液壓缸實(shí)現(xiàn)輪子結(jié)構(gòu)的拓?fù)渥兓芴岣咛綔y(cè)車的通過(guò)性能，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在硬路面上行駛的平順性差［18］.

安裝以上車輪的探測(cè)車要么轉(zhuǎn)向困難，要么越障能力有限，甚至實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難.為克服這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了輪爪式車輪和裝有該車輪的探測(cè)車，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向靈活，越障能力強(qiáng).

1 輪爪式車輪的原理

本文輪爪式車輪的設(shè)計(jì)靈感源自棘輪機(jī)構(gòu)，其原理如圖1所示.為保證探測(cè)車運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、轉(zhuǎn)向靈活，車輪基體仍采用傳統(tǒng)的圓形結(jié)構(gòu).為提高車輪的越障能力，沿其周向均勻安裝6套輪爪機(jī)構(gòu)，每套輪爪機(jī)構(gòu)由輪爪、輪爪軸、限位軸和拉力彈簧構(gòu)成.每個(gè)輪爪均可繞輪爪軸擺動(dòng)，當(dāng)其不與路面接觸時(shí)，輪爪在拉力彈簧和限位軸的共同作用下呈張開(kāi)狀態(tài);當(dāng)其與路面接觸后，輪爪會(huì)在探測(cè)車自身重力作用下向車輪基體內(nèi)擺動(dòng)，這樣減小了車輪的六邊形效應(yīng)帶來(lái)的顛簸現(xiàn)象.

文獻(xiàn)［19］對(duì)輪爪式車輪進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得出了該車輪平穩(wěn)前進(jìn)的條件，以及設(shè)計(jì)該車輪時(shí)確定各個(gè)參數(shù)的方法，并用ADAMS軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真.本文將基于試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)一步分析輪爪式車輪的運(yùn)動(dòng)性能.為方便下文敘述，首先定義車輪的正反轉(zhuǎn).以圖1為例，定義車輪順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為反轉(zhuǎn).

圖1 輪爪式車輪原理圖

2 Rabbit探測(cè)車樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分析

為測(cè)試輪爪式車輪的實(shí)際性能，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)4輪探測(cè)車樣機(jī)Rabbit進(jìn)行試驗(yàn)(圖2所示)，質(zhì)量約為 10.5 kg，尺寸為 57 cm×43 cm×31 cm，采用4輪搖桿-差速器結(jié)構(gòu)，車身通過(guò)差速器安裝到懸掛軸上，無(wú)減震裝置.車體內(nèi)裝有加速度傳感器和傾角傳感器.Rabbit探測(cè)車的控制系統(tǒng)采用上-下位機(jī)結(jié)構(gòu)的分布式控制.用一臺(tái)IBM PC作上位機(jī)，下位機(jī)主要由控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊組成，上-下位機(jī)之間通過(guò)RS-232串口進(jìn)行通訊.上位機(jī)提供人機(jī)交互界面，操作者可通過(guò)其對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和控制，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并獲得相關(guān)數(shù)據(jù).控制模塊接收上位機(jī)指令，對(duì)其解算后產(chǎn)生控制信號(hào)送至驅(qū)動(dòng)模塊，并負(fù)責(zé)采集和處理各種傳感器信息.驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)控制模塊輸出的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電機(jī).

圖2 新型輪爪式移動(dòng)探測(cè)車樣機(jī)Rabbit

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均在最大車輪轉(zhuǎn)速nmax=24.4 r/min，即前進(jìn)速度Vmax=15.3 cm/s的情況下測(cè)得.本文分別在柏油路面、沙土路面、斜坡路面、臺(tái)階路面和月球模擬土壤等不同環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試，下面根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)討論車輪的各項(xiàng)性能.

2.1 Rabbit運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性分析

輪爪的存在可能使Rabbit在平坦路面前進(jìn)(車輪正轉(zhuǎn))時(shí)產(chǎn)生顛簸.為測(cè)試車輪的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，在柏油路面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)(圖2).圖3給出了Rabbit在柏油路面前進(jìn)時(shí)車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍為-0.39g～+0.46g;圖4給出了Rabbit在柏油路面后退(車輪反轉(zhuǎn))時(shí)車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍為-0.13g～+0.16g;圖5給出了輪爪收起(相當(dāng)于普通圓形輪)時(shí)車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍為-0.13g～+0.13g.

圖3 Rabbit在柏油路面前進(jìn)時(shí)豎直方向加速度曲線

圖4 Rabbit在柏油路面后退時(shí)豎直方向加速度曲線

圖5 Rabbit收起輪爪在柏油路面運(yùn)動(dòng)時(shí)豎直方向加速度曲線

對(duì)比圖3與圖4，在柏油路面行走時(shí)，車輪反轉(zhuǎn)行走比正轉(zhuǎn)行走更平穩(wěn).因?yàn)檐囕喎崔D(zhuǎn)時(shí)，輪爪可以收進(jìn)車輪基體內(nèi)，越障輪相當(dāng)于圓形車輪.對(duì)比圖4和圖5，車輪反轉(zhuǎn)時(shí)近似于普通圓形車輪，顛簸比較輕微;車輪正轉(zhuǎn)時(shí)，輪爪收進(jìn)車輪基體內(nèi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的“爬行”現(xiàn)象，6個(gè)輪爪會(huì)導(dǎo)致六邊形效應(yīng)，產(chǎn)生顛簸.所以在平坦硬路面運(yùn)動(dòng)時(shí)，探測(cè)車應(yīng)該用后退的方式行走.

2.2 Rabbit越障能力分析

本文在干沙土路面、臺(tái)階路面、斜坡路面和月球模擬土壤中測(cè)試分析了Rabbit的越障能力.

2.2.1 干沙土路面越障能力分析

在干沙土路面測(cè)試了Rabbit在多障礙路面的運(yùn)動(dòng)性能(圖6).圖7為Rabbit在沙土路面前進(jìn)時(shí)車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍為-0.13g～+0.13g;圖8為Rabbit在沙土路面后退時(shí)車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍為-0.10g～+0.10g;圖9為輪爪收起時(shí)車身豎直方向的加速度曲線，變化范圍同圖8.

圖6 Rabbit在沙土路面測(cè)試

圖7 Rabbit在干沙土路面前進(jìn)時(shí)豎直方向加速度曲線

圖8 Rabbit在干沙土路面后退時(shí)豎直方向加速度曲線

圖9 Rabbit收起輪爪在干沙土路面運(yùn)動(dòng)時(shí)豎直方向加速度曲線

對(duì)比圖7和圖8，在干沙土路面行走時(shí)，Rabbit后退比前進(jìn)稍顯平穩(wěn).因?yàn)檐囕喦斑M(jìn)時(shí)，輪爪插入沙土內(nèi)，減小了六邊形效應(yīng)和車身震動(dòng)，同時(shí)提高了抓地能力.所以當(dāng)探測(cè)車在障礙較多的干沙土路面運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)該用前進(jìn)的方式行走，以提高越障能力.圖8與圖9的對(duì)比則表明:在干沙土路面行走時(shí)，車輪反轉(zhuǎn)行走的效果與普通圓形車輪一致.當(dāng)Rabbit以前進(jìn)方式在多障礙路面行走時(shí)，最大可以越過(guò)13 cm高的障礙.

2.2.2 臺(tái)階路面越障能力分析

Rabbit在臺(tái)階路面運(yùn)動(dòng)需用前進(jìn)的方式行走.此時(shí)輪爪“抓住”前面的臺(tái)階，使探測(cè)車翻越(圖10).本文對(duì)Rabbit進(jìn)行了不同高度的臺(tái)階測(cè)試，每個(gè)臺(tái)階重復(fù)測(cè)試20次，結(jié)果如表1，表明輪爪式車輪可越過(guò)低于8.2 cm(車輪半徑的1.4倍)的臺(tái)階.理論分析表明:該車輪可越過(guò)的最高臺(tái)階為9cm(車輪半徑的1.5倍).圖10為Rabbit翻越8.2 cm臺(tái)階過(guò)程的截圖.作為比較，當(dāng)Rabbit以后退方式行走時(shí)，能翻越4.5 cm高的臺(tái)階.

圖10 Rabbit翻越臺(tái)階視頻截圖

表1 不同高度臺(tái)階的翻越測(cè)試結(jié)果

2.2.3 斜坡路面越障能力分析

為測(cè)試Rabbit在斜坡路面的運(yùn)動(dòng)性能，在沙土斜坡上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)(圖11).圖12給出了Rabbit以前進(jìn)方式爬坡時(shí)車身仰角的變化曲線，可見(jiàn)最大爬坡角度超過(guò)了40°;Rabbit以后退方式(輪爪作用失效)走相同路徑時(shí)，爬到一定位置便在原地打轉(zhuǎn)，圖13為Rabbit后退爬坡時(shí)的車身仰角變化曲線，最大爬坡角度小于31°.對(duì)比圖12和圖13，輪爪使Rabbit的最大爬坡角度提高了9°以上，原因是輪爪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，插入沙土內(nèi)，提高了車輪的抓地能力.所以在沙土斜坡路面運(yùn)動(dòng)時(shí)，Rabbit探測(cè)車也應(yīng)該用前進(jìn)的方式行走.

圖11 Rabbit以前進(jìn)方式爬越沙土斜坡

圖12 Rabbit以前進(jìn)方式爬越沙土斜坡時(shí)車身仰角曲線

圖13 Rabbit以后退方式爬越沙土斜坡時(shí)車身仰角曲線

2.3 月球模擬土壤越障能力分析

為進(jìn)一步測(cè)試Rabbit的性能，與北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院進(jìn)行了合作實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了Rabbit在月球模擬土壤中的性能.月球模擬土壤的材料為火山灰，孔隙比(土中孔隙體積與土粒體積之比)為 0.8到 1.0，密度約為2.77 g/cm3.

本文分別測(cè)試了Rabbit在月球模擬土壤組成的復(fù)雜地形和多障礙環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)性能，如圖14和圖15所示.結(jié)果表明:在輪爪式車輪的幫助下，Rabbit運(yùn)動(dòng)自如，可以輕松越過(guò)與車輪尺寸相當(dāng)?shù)幕鹕綆r石.

圖14 月球模擬土壤復(fù)雜地形測(cè)試

圖15 月球模擬土壤多障礙地形測(cè)試

本文還測(cè)試了Rabbit在月球模擬土壤中的拖拽能力，測(cè)試結(jié)果表明:Rabbit前進(jìn)模式下的拖拽力為26.5N，后退模式下的拖拽力為25.1N.在月球模擬土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)，Rabbit也應(yīng)該用前進(jìn)方式行走.

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了新型輪爪式探測(cè)車Rabbit，介紹了其車輪的原理和Rabbit探測(cè)車樣機(jī)的整體設(shè)計(jì).分別在柏油路面、干沙土路面、臺(tái)階路面、斜坡路面和月球模擬土壤環(huán)境中分析了其越障能力.測(cè)試結(jié)果表明:輪爪式探測(cè)車Rabbit具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力和越障能力，可以越過(guò)高度為車輪半徑1.4倍的臺(tái)階，并能爬過(guò)角度為40°的斜坡.在不同的地形環(huán)境中，Rabbit應(yīng)采取不同的行走方式:在平坦硬路面運(yùn)動(dòng)時(shí)，用后退的方式行走;在多障礙路面、斜坡路面、臺(tái)階路面或月球模擬土壤運(yùn)動(dòng)時(shí)，用前進(jìn)的方式行走.

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