張 碩 姚建濤,2 許允斗,2 朱海嘯 韓 博 趙永生,2

(1.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室， 秦皇島 066004； 2.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 秦皇島 066004)

0 引言

面向地面復(fù)雜環(huán)境工作的移動(dòng)機(jī)器人[1-2]，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在地面復(fù)雜環(huán)境中擁有快速、有效、安全的作業(yè)能力。輪/履形態(tài)可重構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模塊采用履帶形態(tài)與輪式形態(tài)可重構(gòu)[3-4]的結(jié)構(gòu)，輪可實(shí)現(xiàn)全方位快速移動(dòng)，履帶可輕松越過(guò)各種障礙，二者有機(jī)結(jié)合可適應(yīng)各種野外環(huán)境的復(fù)雜路況[5-8]。

段星光等[9]最早研究輪/履復(fù)合式機(jī)器人，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合疊加機(jī)構(gòu)，由4個(gè)擺臂、4個(gè)車(chē)輪和車(chē)體組成，由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)4個(gè)擺臂實(shí)現(xiàn)輪式和履帶式形態(tài)的轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且體積龐大。針對(duì)輪/履復(fù)合式機(jī)器人輪和履帶分開(kāi)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)不緊湊的問(wèn)題,付宜利等[10]提出一種輪履變結(jié)構(gòu)機(jī)器人，該機(jī)構(gòu)是一種對(duì)稱四桿機(jī)構(gòu)，主軸和驅(qū)動(dòng)軸同軸心，主軸是一個(gè)空心軸，與車(chē)輪配合實(shí)現(xiàn)小車(chē)的移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸與打開(kāi)機(jī)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)輪式和履帶式形態(tài)的切換，變形輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，這種機(jī)構(gòu)可使輪式移動(dòng)和履帶式移動(dòng)靈活、相互轉(zhuǎn)變, 使機(jī)器人車(chē)輪具有可重構(gòu)的特點(diǎn)。崔玉寧等[11]研究的并行四桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)輪/履的轉(zhuǎn)換。郭文增等[12]研究的四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輪/履轉(zhuǎn)換打開(kāi)機(jī)構(gòu)的原理與上述方案的原理相同，對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，車(chē)輪由內(nèi)齒圈代替，前進(jìn)運(yùn)動(dòng)由內(nèi)齒輪與外齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)，但是車(chē)輪的機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜。胡軍中等[13]研究以雙液壓缸驅(qū)動(dòng)伸展輪實(shí)現(xiàn)輪/履的轉(zhuǎn)換，這種機(jī)構(gòu)改進(jìn)了以上方案，優(yōu)化了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，但由兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，對(duì)稱性不能保證，并且液壓缸還需要獨(dú)立的能源，傳動(dòng)的精確性也不能保證。

本文提出一種形態(tài)可重構(gòu)輪/履變形移動(dòng)機(jī)器人，具有輪式、履帶式兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)沙地行走、攀爬障礙以及跨越溝壑等多種功能。每個(gè)輪采用單自由度驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，減少電機(jī)數(shù)量和車(chē)輪質(zhì)量，節(jié)省輪體以內(nèi)的空間。每個(gè)行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)電磁離合器帶動(dòng)輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置工作，從而實(shí)現(xiàn)輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換。建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以期為輪/履形態(tài)可重構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)控制提供理論依據(jù)。

1 基本原理

1.1 移動(dòng)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提出的移動(dòng)機(jī)器人由4個(gè)相同結(jié)構(gòu)的輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元以及車(chē)體組成。行走單元可以通過(guò)控制自身裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)輪式與履帶式形態(tài)的互換，從而增強(qiáng)該移動(dòng)機(jī)器人在各種野外環(huán)境工作的適應(yīng)性，整體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

輪/履形態(tài)可重構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)方案如圖2所示。通過(guò)輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輪式移動(dòng)和履帶式移動(dòng)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。移動(dòng)機(jī)器人在平坦路面時(shí)，輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置位于車(chē)輪內(nèi)部，彈性履帶在彈性作用下與外輪緊密?chē)Ш?，機(jī)器人以輪式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行快速移動(dòng)，如圖2a所示。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人遇到障礙時(shí)，輪體內(nèi)部的輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置工作，支撐輪推動(dòng)彈性履帶，彈性履帶拉伸變長(zhǎng)，直至連桿3到達(dá)極限位置，輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置完全打開(kāi)，履帶呈三角形，實(shí)現(xiàn)輪/履狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，機(jī)器人以履帶式運(yùn)動(dòng)狀態(tài)行走，如圖2b所示。

圖2 輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematics of wheel/track shape conversion device1.彈性履帶 2.內(nèi)齒輪 3.外輪 4.內(nèi)齒輪驅(qū)動(dòng)齒輪 5.被動(dòng)齒輪 6.轉(zhuǎn)換裝置驅(qū)動(dòng)齒輪 7.連桿2 8.連桿3 9.支撐輪

1.2 行走單元設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

移動(dòng)機(jī)器人輪/履運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的重構(gòu)是由輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)的，輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元的三維結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖4所示。輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元主要由可變形履帶、兩個(gè)內(nèi)齒輪、兩個(gè)外輪行走機(jī)構(gòu)、輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置、兩個(gè)卡簧、同步器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。采用模塊化[14]設(shè)計(jì)，方便安裝、拆卸和維修。

圖3 輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of three-dimensional structure of wheel/track shape reconfigurable walking unit

圖4 輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元三維爆炸圖Fig.4 Three-dimensional explosion diagram of wheel/track shape reconfigurable walking unit1.行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置 2.外輪1 3.內(nèi)齒輪 4.輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置 5.大卡簧 6.彈性履帶 7.外輪2 8.機(jī)體 9.電磁離合器

提出的行走單元為單自由度機(jī)構(gòu)，輪式行走、履帶式行走以及輪/履運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換均采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行輪式運(yùn)動(dòng)時(shí)，電磁離合器不工作，電機(jī)帶動(dòng)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)連個(gè)內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)齒輪外側(cè)卡槽帶動(dòng)兩外輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輪式快速移動(dòng)。當(dāng)行進(jìn)過(guò)程中遇到障礙時(shí)，通過(guò)電信號(hào)控制電磁離合器工作，驅(qū)動(dòng)輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)由輪式到履帶式的轉(zhuǎn)換。

1.3 行走單元傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

行走單元采用單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即行走裝置和形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置均采用同一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而行走單元主要有兩個(gè)輪系，一是主軸軸系，二是電磁離合器軸軸系。由于主軸轉(zhuǎn)速較高，而輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置所需要的轉(zhuǎn)速較低，加上行走單元空間的限制，齒輪傳動(dòng)降速效果不太顯著，所以本文驅(qū)動(dòng)主軸與電磁離合器嚙合處采用不完全齒輪進(jìn)行減速的方式，如圖5所示，通過(guò)改變不完全齒輪可以改變傳動(dòng)比，可以達(dá)到增加減速比的效果。

圖5 軸系傳動(dòng)設(shè)計(jì)Fig.5 Shafting transmission design1.電磁離合器軸軸系 2.主軸軸系 3.不完全齒輪 4.電磁離合器齒輪

形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置齒輪與內(nèi)齒輪的傳動(dòng)比為

(1)

式中i21——電磁離合器軸與主軸的傳動(dòng)比

i13——主軸與內(nèi)齒輪之間的傳動(dòng)比

z1——不完全齒輪齒數(shù)

z′1——內(nèi)齒輪驅(qū)動(dòng)齒輪齒數(shù)

z2——電磁離合器齒輪齒數(shù)

z3——內(nèi)齒輪齒數(shù)

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)圖2所示輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，取機(jī)體為固定件，以車(chē)輪中心為參考點(diǎn)，在圖6所示的直角坐標(biāo)系中，原點(diǎn)與車(chē)輪中心重合，在此基礎(chǔ)之上，建立輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置的幾何模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

圖6 輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置直角坐標(biāo)系Fig.6 Wheel/track shape conversion device cartesian coordinate system

履帶輪圓心為O，半徑為R；兩個(gè)履帶支撐輪為對(duì)稱布置，圓心為E、J，半徑均為r；兩驅(qū)動(dòng)齒輪圓心分別為A、F，AF連線中點(diǎn)為O，即OA距離為d/2；lOE和lOJ滿足

(2)

設(shè)AB、BC、DC、AD、FG、GH、IH和FI的方向角分別為β1、β2、β3、β4、β5、β6、β7和β8，并設(shè)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?。以右支撐輪E為研究對(duì)象，打開(kāi)機(jī)構(gòu)各個(gè)桿長(zhǎng)關(guān)系滿足閉環(huán)矢量方程

L1+L2=L3+L4

(3)

其復(fù)數(shù)形式為

L1eiβ1+L2eiβ2=L4eiβ4+L3eiβ3

(4)

由式(4)可得

(5)

其中

對(duì)式(5)進(jìn)行整理得

(B-A)λ2+2Cλ+A+B=0

(6)

其中

(7)

得到兩個(gè)支撐輪的運(yùn)動(dòng)軌跡分別為

(8)

對(duì)式(3)求一階導(dǎo)數(shù)后，其矩陣形式為

(9)

得到桿件2以及桿件3的角速度分別為

(10)

利用式(3)的分量形式對(duì)時(shí)間求二階導(dǎo)數(shù)(角加速度方程)，其矩陣形式為

(11)

得到桿件2以及桿件3的角加速度為

(12)

2.2 越障分析

移動(dòng)機(jī)器人行走單元與臺(tái)階接觸示意如圖7所示。

圖7 前輪與臺(tái)階接觸示意圖Fig.7 Schematic of contact between front wheel and step

臺(tái)階高度不高于支撐輪的最高位置，滿足幾何約束

h≤YD+Lsinβ3

(13)

其中

L=L3+L′

式中h——臺(tái)階高度

L——連桿L長(zhǎng)度

YD——轉(zhuǎn)動(dòng)副D的縱坐標(biāo)

圖8為移動(dòng)機(jī)器人行走單元進(jìn)行臺(tái)階越障過(guò)程中的受力情況，建立此狀態(tài)下的機(jī)器人局部坐標(biāo)系O2X2Y2以及全局坐標(biāo)系OXY，設(shè)車(chē)體以及前后輪在局部坐標(biāo)系的重心坐標(biāo)分別為G0(x0,y0)、G1(x1,y1)和G2(x2,y2)，總重心位置在全局坐標(biāo)系中的位置為

(14)

(15)

式中L0——局部坐標(biāo)系平移的距離

m1——前輪質(zhì)量m2——后輪質(zhì)量

m0——車(chē)體質(zhì)量

圖8 臺(tái)階越障時(shí)的受力情況Fig.8 Force on a step over a barrier

F1與水平方向夾角為

(16)

根據(jù)圖8的受力情況，可得力和力矩的平衡方程為

(17)

其中

(18)

式中μ——摩擦因數(shù)

2.3 爬坡越障分析

移動(dòng)機(jī)器人行走單元進(jìn)行爬坡攀爬時(shí)與臺(tái)階障礙物相接觸以及坐標(biāo)建系如圖9所示。

圖9 樓梯攀爬時(shí)的受力情況Fig.9 Stress when climbing stairs

機(jī)器人進(jìn)行樓梯攀爬時(shí)，為保證機(jī)器人在樓梯上順利攀爬，需要保證履帶中兩支撐輪的距離大于兩個(gè)臺(tái)階直角頂點(diǎn)之間的距離，即

(19)

式中 ΔL——轉(zhuǎn)動(dòng)副D和I之間的距離

根據(jù)圖9移動(dòng)機(jī)器人爬坡時(shí)受力情況可得平衡方程為

(20)

假設(shè)攀爬過(guò)程較為緩慢，如果移動(dòng)機(jī)器人能夠順利攀爬樓梯不發(fā)生打滑，則兩動(dòng)力均不大于最大動(dòng)力，即

(21)

可設(shè)定F1達(dá)到最大動(dòng)力F1max，求解F2小于F2max從而得到該移動(dòng)機(jī)器人能夠攀爬坡度為

(22)

式中η——內(nèi)摩擦角

3 輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)器人在輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，在驅(qū)動(dòng)力矩M的作用下，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)從動(dòng)齒輪F以及連桿和擺桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使得兩支撐輪對(duì)彈性履帶施加作用力，同時(shí)彈性履帶對(duì)行走單元施加反作用力，輪/履轉(zhuǎn)換過(guò)程中受力情況如圖10所示。

圖10 輪/履轉(zhuǎn)換過(guò)程中的受力情況Fig.10 Force in process of wheel/track conversion

彈性履帶的彈性恢復(fù)力為

Ff=kΔl

(23)

其中

(24)

式中 Δl——履帶變形量

則每個(gè)支撐輪受到履帶彈性恢復(fù)力的合力為

(25)

基于Lagrange方程進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析[15-19]，選定系統(tǒng)廣義坐標(biāo)，求出系統(tǒng)動(dòng)能和廣義力的表達(dá)式，代入Lagrange方程中，即可導(dǎo)出系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。

(26)

式中j——系統(tǒng)自由度

qj——廣義坐標(biāo)

T——系統(tǒng)總動(dòng)能

FQj——對(duì)應(yīng)廣義坐標(biāo)的廣義力

支撐輪E和J的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相似，且兩側(cè)受到的履帶作用力大小相等，均為Ff，所以以支撐輪E為研究對(duì)象展開(kāi)動(dòng)力學(xué)研究，齒輪A、桿BC、桿DE和支撐輪E的質(zhì)量分別為mA、mBC、mDE和mE。

假設(shè)形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置中各構(gòu)件為均質(zhì)構(gòu)件，且質(zhì)心均在其幾何中心，根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成原理和軸對(duì)稱性，可以得到各個(gè)構(gòu)件的質(zhì)心坐標(biāo)的表達(dá)式

(27)

(28)

(29)

(30)

由式(27)～(30)可以得到形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置總的重力勢(shì)能為

U∑=2(UA+UBC+UDE+UE)

(31)

其中

(32)

形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置各構(gòu)件的動(dòng)能通式為

(33)

形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置總動(dòng)能為

T∑=2(TA+TBC+TDE+TE)

(34)

其中

(35)

式中JA——齒輪A繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

JDE——連桿DE繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

JBC——連桿BC繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

以β1為廣義坐標(biāo)，驅(qū)動(dòng)力矩M的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，運(yùn)用虛功原理的方法來(lái)求廣義力[20-21]為

δw=MQδβ1=Mδβ1+δwFz+δwG

(36)

式中 δwFz——Fz在虛位移δβ1下做的虛功

δwG——重力在虛位移δβ1下做的虛功

點(diǎn)E在x和y方向的虛位移為

(37)

δwFz在x與y方向所做的虛功為

(38)

由于左右兩邊Fz所做的虛功相等，可得彈性履帶彈性恢復(fù)力做的總虛功為

δwFz=2(δwFzx+δwFzy)

(39)

桿BC、DE以及支撐輪E的虛位移為

(40)

重力所做虛功為

δwG=2(-mBCgδyBC-mDEgδyDE-mEgδyE)

(41)

將式(31)、(39)、(41)代入式(26)，可得出驅(qū)動(dòng)力矩M與輸出速度以及輸出角度的關(guān)系。

4 仿真分析與樣機(jī)設(shè)計(jì)

輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)及物理參數(shù)Tab.1 Structural and physical parameters

當(dāng)輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元處于履帶式形態(tài)完全打開(kāi)時(shí)，其滿足

(42)

當(dāng)輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元處于輪式形態(tài)完全收攏時(shí)，其滿足

(43)

為了驗(yàn)證所建立的輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的正確性，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS搭建了該機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)并進(jìn)行相應(yīng)的操作，完成初始設(shè)定，如圖11所示。采用Simulink對(duì)該行走單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真建模如圖12所示。

輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元樣機(jī)以及輪/履形態(tài)可重構(gòu)過(guò)程如圖13所示。在Simulink仿真中，以行走單元完全展開(kāi)為初始仿真狀態(tài)，設(shè)定輸入轉(zhuǎn)速為π/3 rad/s，方向角β1初始值為-1.395 rad，得到行走單元形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置運(yùn)動(dòng)軌跡如圖14所示，仿真結(jié)果以及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)均表明行走單元能夠?qū)崿F(xiàn)輪/履形態(tài)的轉(zhuǎn)換。

由圖15可得，當(dāng)方向角β1達(dá)到1.418 rad以及2.015 3 rad時(shí)，曲線到達(dá)零點(diǎn)，支撐輪J、E完全收攏，即行走單元實(shí)現(xiàn)由履帶形態(tài)到輪式行走狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

將三維模型導(dǎo)入到ADAMS和SolidWorks中進(jìn)行速度和加速度分析。由圖16可知，在第一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，當(dāng)方向角β1為0.28 rad時(shí)，角速度最大為0.546 rad/s，當(dāng)方向角β1為3.77 rad時(shí)，反向角速度最大為0.522 rad/s2。由圖17可知，當(dāng)方向角β1為1.412 rad時(shí)，反向角加速度最大為0.648 rad/s。當(dāng)方向角β1為4.85 rad時(shí)，正向加速度最大為0.729 rad/s2。選取的彈性履帶彈性系數(shù)為0.1 m/N，經(jīng)分析可得正向以及反向最大速度均不會(huì)對(duì)彈性履帶造成破壞。

圖12 輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置Simulink模型Fig.12 Simulink model of wheel/track shape conversion device

圖13 輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元樣機(jī)Fig.13 Wheel/track shape form reconfigurable walking unit prototypes

圖14 支撐輪J和E的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.14 Trajectory of support wheel J and E

圖15 支撐輪E與行走輪的相對(duì)位置Fig.15 Relative position of supporting wheel and walking wheel

圖16 從動(dòng)件角速度Fig.16 Angular velocity diagram of follower

圖17 從動(dòng)件角加速度Fig.17 Angular acceleration diagram of follower

由圖16～18可看出，通過(guò)Matlab進(jìn)行理論值計(jì)算以及通過(guò)Simulink和ADAMS進(jìn)行仿真分析所得到的結(jié)果非常吻合，角速度和角加速度ADAMS的仿真值與數(shù)值理論值的誤差分別為1.43×10-7rad/s、1.26×10-6rad/s2，角速度和角加速度Simulink的仿真值與理論值的誤差分別為9.18×10-8rad/s、1.01×10-6rad/s2，Simulink的仿真值與理論值的驅(qū)動(dòng)力矩誤差僅為1.26×10-5N·m，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性，并得到了輪/履轉(zhuǎn)換過(guò)程中機(jī)器人所需要的驅(qū)動(dòng)力矩。由圖18可知，機(jī)器人在進(jìn)行輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中所需的最大驅(qū)動(dòng)力矩小于電機(jī)能提供的最大力矩，因而機(jī)器人能夠順利進(jìn)行輪/履形態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖18 單個(gè)車(chē)輪輪/履轉(zhuǎn)換時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩Fig.18 Driving torque of single wheel wheel/track transition

5 結(jié)論

(1)基于形態(tài)可重構(gòu)的思想，提出一種單自由度輪/履形態(tài)可重構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人集履帶式與輪式于一體，履帶的幾何形狀可根據(jù)野外地形的變化，通過(guò)電信號(hào)控制電磁離合器的開(kāi)關(guān)，從而控制形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置，使外層履帶做出形態(tài)的改變。

(2)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，建立了輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型以及ADAMS虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行理論計(jì)算和仿真驗(yàn)證，理論值與仿真值誤差的數(shù)量級(jí)僅在10-8～10-6之間，驗(yàn)證了所建立數(shù)學(xué)模型的正確性。

(3)分析了移動(dòng)機(jī)器人的越障能力和爬坡能力，為農(nóng)用移動(dòng)機(jī)器人行走單元提供了一種新的方案，為今后該類(lèi)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)。