楊 飛，陶建國，鄧宗全，黎佳駿

(1.機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，150080 哈爾濱;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，150001 哈爾濱)

輪式探測車被動自適應(yīng)性與自由度關(guān)系分析

楊 飛1，2，陶建國1，2，鄧宗全1，2，黎佳駿1，2

(1.機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，150080 哈爾濱;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，150001 哈爾濱)

為設(shè)計具有自適應(yīng)性能的探測車，保證輪式探測車移動機構(gòu)在行駛過程中車輪與地面接觸良好，研究自適應(yīng)性能與單側(cè)懸架系統(tǒng)及其漫游車整體所需自由度之間的關(guān)系.給出自適應(yīng)性的3種分類方法，分析自適應(yīng)性能對漫游車的爬坡性能、車體穩(wěn)定性能及能耗特性的影響;建立具有自適應(yīng)性能的探測車單輪系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并得到此系統(tǒng)的自由度;分別建立包含兩輪、三輪及k個車輪的自適應(yīng)懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析并得到上述系統(tǒng)所需的自由度;分別建立在懸架對稱布置和四周布置兩種情況下的探測車自由度模型，并對一些具有代表性的被動自適應(yīng)特性探測車自由度進(jìn)行了統(tǒng)計和分析.研究結(jié)果表明:良好的自適應(yīng)性是實現(xiàn)移動機構(gòu)綜合性能的前提條件，具有自適應(yīng)性的單側(cè)懸架系統(tǒng)與探測車整體所需自由度分別為1和3.該方法可為探測車懸架及車體系統(tǒng)構(gòu)型綜合時自由度的確定提供指導(dǎo).

探測車;被動自適應(yīng);輪式移動機構(gòu);自由度;懸架;構(gòu)型綜合

隨著深空探測技術(shù)的發(fā)展，行星探測受到各個國家越來越多的關(guān)注，并掀起了新一輪深空探測熱潮.行星探測車是對行星表面進(jìn)行實地勘探的重要工具，是搭載各類科學(xué)探測儀器的平臺［1］.未來的空間探測任務(wù)要求探測車能在預(yù)先未知或非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中去執(zhí)行任務(wù).輪式探測車具有結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，高效實用等優(yōu)點，因此國內(nèi)外行星探測車的研究以輪式為主［2－3］，特別是在崎嶇地面上行駛的輪式行星探測車技術(shù)已經(jīng)成為研究熱點.

輪式探測車行駛過程中，各車輪與地面良好接觸以保持均衡的牽引力是提高探測車綜合性能的重要前提，這種性能被稱為車輪對地面的自適應(yīng)性.自適應(yīng)理論應(yīng)用極其廣泛，其分類方法也多種多樣.狹義地講，從系統(tǒng)對外界輸入有無反饋可將自適應(yīng)分為3種類型.1)主動自適應(yīng):系統(tǒng)內(nèi)部對外界環(huán)境的變化有反饋控制，使系統(tǒng)依據(jù)新輸入而呈現(xiàn)出一種新結(jié)構(gòu)、狀態(tài)或功能，從控制角度講，其是一個閉環(huán)控制.美國卡內(nèi)基－梅隆大學(xué)研制的流浪者“Nomad”［4］，JPL 研制的 Nanorover等通過實時檢測探測車的位置姿態(tài)，采用機電控制主動調(diào)節(jié)探測車的運動，獲得最佳的行駛性能，均屬于主動自適應(yīng)探測車.2)被動自適應(yīng):系統(tǒng)在運行過程中不會對外界環(huán)境的變化有反饋，自身的狀態(tài)也不會發(fā)生改變，是一種簡單的輸入輸出關(guān)系，從控制角度講，其是一個開環(huán)控制系統(tǒng).美國噴氣推進(jìn)實驗室(JPL)研制的“索杰納”以及MER(mars exploration rover)探測車［5］，日本的Micro－5等［6］主要利用移動機構(gòu)超靜定特性實現(xiàn)輪系對地面的自適應(yīng)，達(dá)到平順車體、均衡牽引力的目的，均屬于被動自適應(yīng)輪式探測車.3)主、被動混合自適應(yīng):主動和被動自適應(yīng)的有機結(jié)合，既有傳感器和執(zhí)行器保證相應(yīng)的主動自適應(yīng)控制，又有相應(yīng)的被動自適應(yīng)機構(gòu)，如俄羅斯研制的Marskhold探測車既能被動適應(yīng)地形又能主動適應(yīng)地形，屬于混合自適應(yīng)探測車［7］.

探測車的自適應(yīng)性與懸架的構(gòu)型密切相關(guān).被動自適應(yīng)探測車雖只能適應(yīng)一般復(fù)雜地形，但因其結(jié)構(gòu)簡單，能耗小，控制簡單，可靠性高，因而在目前的行星探測中得到了廣泛應(yīng)用.基于地面自適應(yīng)能力的輪式探測車構(gòu)型綜合能夠使綜合出的輪式探測車移動機構(gòu)具有良好的地面自適應(yīng)特性，從而保證探測車具有優(yōu)異的運動學(xué)和動力學(xué)性能，但目前類似的研究文獻(xiàn)還很少.

本文通過分析自適應(yīng)性對移動機構(gòu)性能的影響，研究具有良好被動自適應(yīng)能力輪式探測車移動機構(gòu)與其自由度之間的關(guān)系，為探測車的構(gòu)型綜合提供參考和借鑒.

1 被動自適應(yīng)性與探測車性能關(guān)系

行星探測車的綜合性能可通過一些子性能得到反映，如爬坡性能、穩(wěn)定性及能耗特性等［8］.

1.1 爬坡性能

擁有良好自適應(yīng)性能的探測車能保證每個車輪在爬越一定傾角的斜坡時與地面時刻接觸，保證良好的牽引性能，使爬坡過程順利進(jìn)行.對于在行星上執(zhí)行任務(wù)的探測車，探測車攜帶或能得到的能源有限，因此每個車輪電機能提供的功率也是一定的，則車輪能提供的最大驅(qū)動力矩為

式中:Fimax為作用在第i個車輪上的最大切向力，n為車輪總數(shù)，r為車輪半徑，Tmax為全部車輪能提供的最大驅(qū)動力矩，Timax為每個車輪提供的最大驅(qū)動力矩.

如圖1所示，當(dāng)探測車爬越一定傾角斜坡且處于臨界條件——所有車輪提供的驅(qū)動力矩恰好和車體重力沿斜坡的的阻力矩平衡時，若由于懸架等原因使某個車輪與地面脫離接觸，這時其他車輪受到的阻力矩就會相應(yīng)增加.由于電機能輸出的驅(qū)動力矩有限，當(dāng)驅(qū)動力矩小于阻力矩時就會導(dǎo)致探測車爬越斜坡失敗.

圖1 探測車爬越斜坡示意

1.2 車體穩(wěn)定性

傾翻將造成探測車損壞，導(dǎo)致探測任務(wù)失敗.探測車穩(wěn)定性主要指移動機構(gòu)抵抗傾翻的能力.零力矩點(zero moment point，ZMP)理論是判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要方法［9］.ZMP是指系統(tǒng)上與地面的一個接觸點，其受到的地面反作用力繞該點的力矩分量在地面上的投影為0.根據(jù)ZMP理論，可將探測車行駛過程的穩(wěn)定性表述為:若ZMP位于各車輪與地面接觸點形成的支撐多邊形之內(nèi)，則探測車將不會發(fā)生傾翻.圖2為一探測車ZMP示意圖，P1～Pn為探測車n個車輪與地面的接觸點，車體ZMP位于這n個點形成的多邊形區(qū)域內(nèi).根據(jù)ZMP理論，在接觸點形成的多邊形區(qū)域內(nèi)，穩(wěn)定性與ZMP點所能移動的范圍呈正比關(guān)系.若某些車輪與地面脫離接觸從而使接觸點形成的多邊形面積減小，就會減小ZMP點的移動范圍，其穩(wěn)定性就會相應(yīng)地下降.圖2(b)中兩車輪與地面脫離，假設(shè)在多邊形中代表這兩車輪與地面的接觸點為P3和P4，則新形成的穩(wěn)定區(qū)域就會比圖2(a)所示的區(qū)域減小，這時ZMP點能移動的范圍減小，車體的穩(wěn)定性就會下降.因此車輪與地面時時接觸是保證車體穩(wěn)定性的重要條件.

圖2 探測車零力矩點示意

1.3 能耗特性

影響移動系統(tǒng)能耗特性的直接因素有機械系統(tǒng)傳動效率、電機效率及車輪與地面的滑轉(zhuǎn)等.探測車在運動過程中姿態(tài)不斷發(fā)生變化，車輪載荷也不斷發(fā)生變化，會造成車輪滑轉(zhuǎn)率不同，車輪前進(jìn)速度產(chǎn)生差異而造成能量的內(nèi)部損耗.因此，車輪滑轉(zhuǎn)率對能耗有很大影響，可將其作為一個評價指標(biāo).滑轉(zhuǎn)率表示為［10］

式中:Sf為車輪實際行駛距離，S為車輪理論行駛距離.

當(dāng)車輪與地面接觸減少或發(fā)生空轉(zhuǎn)時，都會使Sf減小甚至為0，這將導(dǎo)致車輪滑轉(zhuǎn)率增大，增大移動系統(tǒng)的能源消耗.因此，應(yīng)保證車輪能很好地自適應(yīng)行駛，使各輪重力分配均勻，避免車輪懸空現(xiàn)象發(fā)生，以減小車輪滑轉(zhuǎn)率，減少不必要的能耗.

2 被動自適應(yīng)探測車所需自由度分析

2.1 被動自適應(yīng)移動機構(gòu)單輪系統(tǒng)自由度分析

在移動系統(tǒng)行駛的每一時刻，可將車輪與地面視為點接觸.在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，若不考慮主動轉(zhuǎn)向運動且兩邊車輪沒有速度差，將車輪與地面離散的接觸點連起來形成一條接觸曲線，則此接觸曲線為某一地形剖平面內(nèi)的軌跡曲線，如圖3中曲線S1所示.

圖3 單輪系統(tǒng)運動示意圖

為使車輪對地面具有良好的自適應(yīng)性能，則車輪應(yīng)時刻與地面發(fā)生接觸，那么曲線S1是車輪在不同位置下的包絡(luò)線，r為S1的徑矢，設(shè)包絡(luò)曲線S1的方程為

且其上無奇點，即rx×rz≠0.因曲線S1是車輪在不同位置的包絡(luò)線，所以P點也是車輪輪廓線上的點，這時P點在曲線S1和車輪輪廓線上的切矢應(yīng)相等，即

令S1=f(x，z)，Δxi=Δxi-1+Δx，Δzi=Δzi-1+Δz，(i=1 ～ n)，其中Δx、Δz為在相等的時間間隔內(nèi)在x、z方向上的增量，那么弧線S1的偏導(dǎo)矢可以表示為

若將軌跡曲線在x和z兩個方向上進(jìn)行分解，則相等的時間內(nèi)在x方向上行駛的距離是相等的，即Δx=0.但由于起伏的地形，相等的Δx值對應(yīng)不同的Δz值，因此

當(dāng)車輪勻速行駛在起伏路面上時，主要適應(yīng)z向地形變化即可，這時單輪系統(tǒng)僅需一個自由度.

2.2 被動自適應(yīng)移動機構(gòu)整體自由度分析

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可發(fā)現(xiàn)，很多已經(jīng)成功應(yīng)用或正在研制當(dāng)中的輪式探測車移動系統(tǒng)多為兩側(cè)或四周布置形式.兩側(cè)布置移動機構(gòu)一般為懸架系統(tǒng)的左右對稱布置，如“索杰納”行星探測車;移動機構(gòu)四周布置形式較復(fù)雜，其車輪－懸架系統(tǒng)與載荷平臺連接方式為鉸接或差動與鉸接的混合連接，如Micro－5為全鉸接形式，而文獻(xiàn)［11］所述探測車則為差動與鉸接的混合連接.

2.2.1 單側(cè)車輪－懸架系統(tǒng)自由度分析

圖4所示為車輪連接的基本單元——兩個車輪連接的情況.

圖4 車輪-懸架連接單元示意

兩車輪分別與懸架連接，但具體連接由于不同的探測車懸架結(jié)構(gòu)不同，在此不具體確定.懸架的作用是保證兩車輪滿足被動自適應(yīng)性所需的自由度.設(shè)兩車輪當(dāng)前位置與地面接觸點分別為P1、P2，對應(yīng)的徑矢分別為 r1、r2.

若車輪有高度差，徑矢r1，r2在z向的分量有如下兩種關(guān)系:

1)當(dāng)|r1z|＞|r2z|，表明兩車輪在z向有高度差，如圖5(a)所示.當(dāng)車體沿箭頭方向行駛且把車輪2的z分量視為參考值時，可假設(shè)移動機構(gòu)正在對高度為h=|r1z|-|r2z|的障礙進(jìn)行越障.對于此時的車輪-懸架系統(tǒng)，可將其認(rèn)為是一個被動的分時自適應(yīng)系統(tǒng)，即在某一時刻只有一個車輪的相對高度發(fā)生了變化，而另一車輪保持原狀態(tài)不變，則兩車輪之間只需一個相對自由度來適應(yīng)z向的變化，即懸架系統(tǒng)需提供一個自由度.

2)當(dāng)|r2z|＞|r1z|，其越障如圖5(b)所示.箭頭指示探測車行駛方向，障礙高度h=|r2z|-|r1z|，分析過程與1)類似，即懸架系統(tǒng)只需提供一個自由度.

圖5 兩車輪相對高度變化示意

由上述分析可知，基本的車輪－懸架單元具有被動自適應(yīng)性的前提是此系統(tǒng)具有一個自由度.大多數(shù)探測車單側(cè)懸架連接的車輪數(shù)一般≥2，因此有必要對車輪數(shù)大于兩個的車輪－懸架系統(tǒng)自由度進(jìn)行研究.

設(shè)A、B、C、D、E代表單側(cè)車輪 -懸架系統(tǒng)連接的5個車輪，且令A(yù)∩B=1表示車輪A與B之間有一相對自由度，其余類推.若車輪 -懸架系統(tǒng)具有被動自適應(yīng)性，則各車輪之間有相對的自由度，可自動適應(yīng)地形起伏變化.以A為例，若其被動自適應(yīng)性不受其他車輪干涉，即在運動過程車輪A與其他車輪之間都有相對的自由度，即

由分析可知，當(dāng)車輪 -懸架系統(tǒng)為兩輪基本單元時，可保證每一時刻兩輪之間總有相對的自由度，且此系統(tǒng)的自由度為1.因車輪A要同時與車輪B、C、D、E在運動時有相對的自由度，則A可與B、C、D、E組成兩輪基本單元系統(tǒng)，即

式中:F=B∪C∪D∪E，車輪B、C、D、E組成一個系統(tǒng)F.

則車輪A與車輪系統(tǒng)F組成的車輪-懸架系統(tǒng)自由度為1.對于車輪B，因要具有被動自適應(yīng)能力，除了A∩B=1，B∈F外，還必須滿足

則同理B∩G=1.

式中:G=C∪D∪E，車輪C、D、E組成一個系統(tǒng)G，且 G ? F.

車輪B與新系統(tǒng)G為具有被動自適應(yīng)性能的基本兩輪單元系統(tǒng)，此時系統(tǒng)的自由度為1.同理，車輪C、D、E也可以做類似的分析，得出類似的結(jié)論.

分析了可分解為兩輪基本單元的車輪－懸架系統(tǒng)自由度為1的充分性后，下面分析其必要性，即從最基本的兩輪單元系統(tǒng)來分析整體系統(tǒng)的自由度.圖6為單側(cè)車輪－懸架系統(tǒng)基本兩輪單元連接示意圖.設(shè)有 n個車輪，分別為1，2，…，n，各兩輪基本單元通過轉(zhuǎn)動副 J1，J2，…，Jn-1連接.因其為平面機構(gòu)連接，可用下式計算其自由度:

式中:F為平面機構(gòu)的自由度，n為總的構(gòu)件數(shù)，包括一個地面，p為平面低副數(shù)目，設(shè)車輪與地面間為純滾動，即視為低副.

輪式漫游車懸架有不同的構(gòu)型，懸架在空間上有不同的布置形式，如兩側(cè)對稱式、四周均布式、三點鉸接式等等.雖然布置方式不同，但從目前已有的漫游車布置方式來看，每側(cè)懸架與載荷平臺都為點連接即各個獨立的懸架都只有一個輸出，要求懸架能提供一個輸出自由度.如圖6(a)、(b)所示分別為連接兩個車輪與3個車輪的懸架示意圖，懸架的具體結(jié)構(gòu)及連接方式未知.

若要使綜合出的懸架對崎嶇地面具有被動自適應(yīng)性，對于兩輪或三輪懸架來說，其必須滿足下列條件:

1)懸架在任意工況下都必須滿足因崎嶇地面導(dǎo)致的車輪對懸架的輸入自由度;

2)在任意工況下，懸架的輸出自由度不應(yīng)被干涉，即懸架必須滿足對載荷平臺的這個輸出自由度.

綜上，對于具有被動自適應(yīng)性能的兩輪懸架而言，其必須時刻能提供3個自由度.因懸架為平面機構(gòu)且與載荷平臺為點連接，不存在作為機架的桿件，因此其桿件數(shù)和運動副數(shù)滿足下式:

圖6 雙輪及三輪單側(cè)懸架系統(tǒng)

同理，對于單側(cè)三輪懸架，其桿件數(shù)和運動副數(shù)滿足下式:

兩輪懸架-車輪系統(tǒng)中，在計算整體系統(tǒng)的自由度時除懸架所含的桿件和運動副外，還應(yīng)包括車輪、地面及其之間相互連接的運動副，即還應(yīng)加上n1=3的桿件及p1=4的平面低副.但應(yīng)注意的是在車輪-懸架系統(tǒng)中，地面是不動的，被當(dāng)作機架看待，由式(1)可得整體系統(tǒng)的自由度為

同上，在三輪懸架－車輪系統(tǒng)中，除懸架所含的桿件和運動副外，還應(yīng)加上n1=4的桿件及p1=6的平面低副，結(jié)合式(2)可得整體車輪-懸架系統(tǒng)的自由度為

同理，對于單側(cè)有k個車輪的懸架系統(tǒng)，其單側(cè)懸架須提供k+1個自由度，即

當(dāng)分析車輪-懸架系統(tǒng)的自由度時，還應(yīng)加上n1=k+1的桿件及p1=2k的平面低副，則整體系統(tǒng)的自由度為

由以上分析可知，對于一個具有被動自適應(yīng)性能的車輪－懸架系統(tǒng)，為保證每時每刻車輪之間都有相對的自由度來適應(yīng)地形的變化，無論連接方式多么復(fù)雜，具有被動自適應(yīng)性能的車輪－懸架系統(tǒng)所需自由度為1.

2.2.2 移動系統(tǒng)整體自由度

本文所述探測車系統(tǒng)自由度是其被動適應(yīng)地形所具有的自由度，不包括由于主動控制而引入的自由度，例如車輪轉(zhuǎn)向電機引起的轉(zhuǎn)向自由度.對于移動系統(tǒng)自由度，不同文獻(xiàn)有不同計算方法，如在文獻(xiàn)［8］、［12］中移動系統(tǒng)自由度為所有運動副自由度的代數(shù)和，這就造成了不同車型根據(jù)不同方法計算后其自由度有差異.從構(gòu)型角度考慮，為尋找其自由度的規(guī)律，應(yīng)以普遍的計算機構(gòu)自由度的方法來計算整車自由度.

假設(shè)移動系統(tǒng)行駛在平坦地面上且車輪與地面之間為純滾動，這時各懸架與載荷平臺的鉸接軸為輸入，載荷平臺的位姿變化為輸出.當(dāng)各鉸接軸之間無相對高度變化時，移動系統(tǒng)有最少的自由度，即由于車輪轉(zhuǎn)速不同而引起的車體繞垂直于地面坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動以及沿地面的兩個平動，共3個自由度.

移動系統(tǒng)實際結(jié)構(gòu)及連接方式復(fù)雜多樣，但其系統(tǒng)自由度可通過下式計算［13］:

式中:fi為第i個運動副的自由度數(shù);N為運動副數(shù);λ為閉合約束數(shù)，對于空間封閉鏈，λ=6，對于平面封閉鏈，λ=3;L為封閉鏈數(shù)目.

2.2.2.1 兩側(cè)布置移動系統(tǒng)自由度分析

從目前已有的探測車移動系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)布置的車輪－懸架系統(tǒng)與載荷平臺一般通過差動裝置連接，如此可很好地平衡兩側(cè)懸架輸入的不同俯仰角對載荷平臺的影響.差動裝置輸出的相對自由度為1，可表達(dá)為

設(shè)移動系統(tǒng)由左右對稱的車輪－懸架系統(tǒng)與載荷平臺組成，由前述分析可知，具有被動自適應(yīng)車輪－懸架系統(tǒng)自由度為1，即

則移動系統(tǒng)的自由度為

由此可見，單側(cè)車輪－懸架系統(tǒng)自由度為1，左右對稱與載荷平臺差動連接的移動系統(tǒng)自由度為3.構(gòu)型綜合時，選擇車輪－懸架系統(tǒng)自由度為1，移動系統(tǒng)自由度為3，如此在同等條件下可減少所用桿件數(shù)量，從而減少系統(tǒng)復(fù)雜性及車體質(zhì)量，這可以從已經(jīng)研發(fā)出的大多數(shù)探測車上得到體現(xiàn).

2.2.2.2 四周布置移動系統(tǒng)自由度分析

四周布置移動系統(tǒng)車輪－懸架系統(tǒng)與載荷平臺的連接具有結(jié)構(gòu)和數(shù)量不規(guī)律的特性，這樣可使移動系統(tǒng)某方面的性能更突出，因此其自由度往往≥3，其車體系統(tǒng)自由度計算可通過式(3)計算.

圖7為尚建忠等［14］提出的一種三搖臂移動系統(tǒng)，側(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動副軸線均與y-z平面垂直，而在尾搖臂的所有轉(zhuǎn)動副中，懸架與車輪鉸接的軸線與y-z平面垂直，懸架與載荷平臺鉸接的軸線與x-y平面垂直.因此，懸架、車輪與地面形成的閉鏈數(shù)目L=3，且平面閉鏈λ1=3，λ2=3，形成的空間閉鏈λ3=6，則車體系統(tǒng)自由度為

在進(jìn)行自由度計算時，運動副數(shù)目要包括不同車輪與地面接觸所形成的接觸副.當(dāng)車輪運時，轉(zhuǎn)向電機動作而使車輪具有的轉(zhuǎn)向自由度不在被動適應(yīng)范圍之內(nèi)，因此車輪與地面接觸副看作具有一個自由度的運動副［11］.

圖7 六輪三搖臂懸架探測車

3 一些常見被動自適應(yīng)移動系統(tǒng)屬性

在移動系統(tǒng)的研究中，自適應(yīng)性能是一個重要的性能指標(biāo).主動自適應(yīng)因控制較復(fù)雜，還未得到廣泛應(yīng)用，卻是未來的發(fā)展方向.表1是一些有代表性的、常見移動系統(tǒng)的相關(guān)屬性.從表中可看出，具有被動自適應(yīng)性能的移動系統(tǒng)，其單側(cè)車輪－懸架系統(tǒng)通過合理連接后，自由度以1為主，整車系統(tǒng)的自由度以3為主，但為使某方面的功能得到加強，可增加相應(yīng)自由度，使整體自由度＞3.這些信息有助于指導(dǎo)設(shè)計者從自由度的角度對移動系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的構(gòu)型綜合.

表1 一些常見被動自適應(yīng)移動系統(tǒng)及其相關(guān)屬性［6，15，16］

4 結(jié)論

1)分別分析了被動自適應(yīng)特性與移動系統(tǒng)各主要性能之間的關(guān)系，得出車體良好的被動自適應(yīng)性是實現(xiàn)移動系統(tǒng)綜合性能的基本前提.

2)以良好的被動自適應(yīng)為條件，對單輪系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析，進(jìn)一步研究了移動系統(tǒng)單側(cè)車輪－懸架系統(tǒng)所需要自由度，并給出了相應(yīng)的證明.

3)以單側(cè)車輪－懸架系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究移動系統(tǒng)整車自由度，對一些已研發(fā)的具有被動自適應(yīng)性移動系統(tǒng)自由度進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)對稱的單側(cè)車輪－懸架系統(tǒng)自由度一般為1，而整車系統(tǒng)自由度以3為主.

4)研究具有被動自適應(yīng)性能移動機構(gòu)尤其是單側(cè)車輪－懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與自由度之間的關(guān)系，為構(gòu)造新型的具有被動自適應(yīng)性能的探測車提供了借鑒和理論參考.

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Relationship analysis between passive self-adaptability and degrees of freedom of the wheeled rover’s locomotion system

YANG Fei1，2，TAO Jianguo1，2，DENG Zongquan1，2，LI Jiajun1，2
(1.State Key Laboratory of Robot Technology and System，150080 Harbin，China;2.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China)

To make the designed rover have self-adaptability and better contact with ground，DOFs required for single suspension system and the whole rover are studied.Three classification ways of self-adaptability are given，and the relationship between self-adaptability and climbing performance，stability，energy consumption is analyzed.Mathematic model of single wheel-suspension system is established and such system’s DOF is obtained.Based on aforementioned analysis，mathematic models of double，three and k wheel-suspension system are established respectively with calculated DOFs for these systems.Two DOF models for wheeled rover are given followed by DOF statistics and analysis of some representative self-adaptive rovers.The analysis shows that self-adaptability is the basis for realizing comprehensive performance of the locomotion mechanism.DOFs for single suspension system and rover are 1 and 3，respectively.The conclusion has universalism and can determine required DOFs for structural synthesis of wheeled rover.

rover;passive self-adaptability;wheeled locomotion mechanism;DOF;suspension;structural synthesis

TH122

A

0367－6234(2014)03－0030－07

2013－03－30.

高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃資助項目(B07018);

國家自然科學(xué)基金資助項目(51075079).

楊 飛(1985—)，男，博士研究生;陶建國(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師;

鄧宗全(1956—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

陶建國，jgtao@hit.edu.cn.

(編輯 楊 波)