王華軒， 張書暢， 席軍強

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081)

隨著現(xiàn)代科技的進步和文明的發(fā)展，人們對陸域機動平臺的環(huán)保性能、動力性能等方面提出了更高的要求.由于野外搜尋、礦場勘測、災(zāi)后救援、星球探索等需求的增加，陸域機動平臺的越障性能也逐漸受到人們的關(guān)注.

陸域機動平臺在執(zhí)行勘測任務(wù)時，復(fù)雜地形是不可忽視的外部條件，由于機動平臺越障能力有限，往往會出現(xiàn)事倍功半，甚至無功而返的情況.在進行災(zāi)后救援工作時，機動平臺越障能力的強弱，與被困人員的生存概率有著直接的關(guān)系.

綜上所述，從經(jīng)濟損失、人民生命安全等多角度來看，越障能力是陸域機動平臺十分重要的一項技術(shù)指標，為了滿足當(dāng)前的以及可以預(yù)見的未來的任務(wù)提出的更高要求，提升陸域機動平臺的越障能力是一個重要的課題.

1 陸域機動平臺越障技術(shù)概述

越障方案，是陸域機動平臺上實現(xiàn)越障功能的結(jié)構(gòu)或方法.目前已有的越障設(shè)計方案一般都是基于一定的需求產(chǎn)生的，如具有較強越障能力的月球車、履帶式全地形車、煤礦探測機器人.綜合查閱到的資料，可以將現(xiàn)有的越障方案歸納為兩大類：單動力模式和多動力模式.單動力模式是機動平臺上僅有一種驅(qū)動方式的越障方案，比如輪式、履帶式、足式等，這類越障方案結(jié)構(gòu)簡單，便于生產(chǎn)、維修，越障性能有較大的局限性.多動力模式是單動力模式的疊加，將多種單動力模式越障方案復(fù)合在一起，使機動平臺面對復(fù)雜地形有了更多的選擇，具有更高的適應(yīng)性，但也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題.

2 陸域機動平臺越障技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，越來越多的研究機構(gòu)基于不同用途，對陸域機動平臺的越障方案展開了研究.下面對越障方案進行詳細介紹.

2.1 輪式

輪式越障方案包括3種，分別為常規(guī)輪式、異形輪式、變形輪式.其本質(zhì)上與傳統(tǒng)車輛結(jié)構(gòu)類似，所以具有移動速度快、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，但是其越障能力受到車輛硬件條件的限制.

2.1.1 常規(guī)輪式

常規(guī)輪式越障方案，是指對傳統(tǒng)機動平臺的底盤、懸架系統(tǒng)、車輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，而不增設(shè)其它結(jié)構(gòu)的越障方案.

對底盤、懸架系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計的機動平臺，越野能力、底盤性能都會得到提升，同時也保證了一定的速度需求.解放軍總裝備部車船裝備論證試驗研究所的金曉輝等[1]對軍用輕型全地形車的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行了分析，指出并分析了幾種軍用陸域機動平臺，包括美軍裝備序列中的運動家(sportsman)和M-gator、英國的Supacat公司生產(chǎn)的6×6全地形機動平臺，這類機動平臺提升越障能力的主要措施是采取獨立懸掛、多輪驅(qū)動，從而提高懸掛的動行程及車輛的動力性能.

對車輪結(jié)構(gòu)的改進方案，主要應(yīng)用于星際探索等特殊工況.哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄧宗全等[2]研發(fā)的行星輪式月球車，車輪采用輪組式車輪(如圖1)，使機動平臺具有了一定的越障能力，在此方案中，更看重車輛對于特殊地形的通過能力，在必要時可以舍棄其速度性能.

此種機動平臺的越障能力主要取決于行星輪的直徑與行星車輪系桿的半徑.在跨越障礙時，機動平臺行駛方向應(yīng)盡量垂直于障礙.

2.1.2 異形輪式

異形輪指不同于普通圓形車輪的非圓形車輪結(jié)構(gòu).其核心在于設(shè)計非傳統(tǒng)的車輪形狀，來實現(xiàn)特殊的功能，提高機動平臺的越障性能.非圓形車輪會使機動平臺在行駛過程中重心發(fā)生上下波動，導(dǎo)致車輛的穩(wěn)定性下降，運行速度會因此受限.

圖1 輪組式車輪

The Center for Biologically Inspired Robotics Research模仿蟑螂的運動形態(tài)，提出了一種異形輪式機動平臺(如圖2)[3].該機動平臺裝有4個異形輪，具有交替對角步態(tài).在面臨一些特殊的路面時，可以保持較高的行駛速度，具有一定的越障能力.美國西儲大學(xué)研制了具有類似結(jié)構(gòu)的越障機器人，可應(yīng)用于城市搜救、海底勘探等場合.

圖2 Mini-WHGESTM機器人

北京交通大學(xué)的王丹等[4]提出了一種異形輪式機動平臺.具有六個半圓結(jié)構(gòu)的車輪.與Mini-WHGESTM相比，在行駛過程中，該機動平臺可以有效地減緩車輛重心的上下浮動，兼顧了運動的平穩(wěn)性和越障能力.

2.1.3 變形輪式

變形輪是指通過對普通整圓車輪結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，使其能夠根據(jù)外部環(huán)境條件，主動或被動地進行變形，從而保證機動平臺在平坦路面上快速平穩(wěn)的同時，獲得相較于常規(guī)輪式機動平臺更強的越障能力.

韓國首爾國立大學(xué)研發(fā)的變形輪式機動平臺Wheel Transformer[5]，采用了新型的可變形車輪.車輪的變形過程由外界環(huán)境所決定的，無需額外的執(zhí)行機構(gòu)，大大降低了控制方案的復(fù)雜性.

Quattroped是臺灣大學(xué)研制的新型四腿/四輪可轉(zhuǎn)換機動平臺[6]，該機動平臺采用獨特的變換機構(gòu)，可以在車輪和腿之間切換形態(tài)，具有很好的越障能力，同時兼顧了輪式機器人的快速平穩(wěn)性.

2.2足式

目前常見的步行機動平臺以兩足式、四足式、六足式應(yīng)用較多，其中，四足式陸域機動平臺具有結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、穩(wěn)定性好等突出優(yōu)點，在軍事、搶險救災(zāi)等眾多方面擁有廣闊的發(fā)展前景，因此，吸引了國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)的重視.

美國波士頓動力公司研制的BigDog是目前最具代表性的四足機動平臺.BigDog每條腿由四個液壓馬達驅(qū)動，步行模式速度約為1.6 m/s，奔跑模式速度約為2 m/s，可在泥地、雪地、石堆、松軟地表等表面行進，平坦地面可載重154 kg.

2.3 履帶式

此處提到的履帶式越障方案，指雙履帶式越障方案，相較于普通輪式機動平臺具有更好的越障能力.但是對于坡度較大的障礙，雙履帶式機動平臺在攀爬的過程中可能會出現(xiàn)翻倒的現(xiàn)象.

評價其爬坡穩(wěn)定性的主要參數(shù)是穩(wěn)定裕量，即機動平臺重心位置到后輪中心的水平距離，也就是重力對于后輪中心點的力臂大小.雙履帶式車輛的穩(wěn)定裕量受路面情況影響，當(dāng)坡度增加時，穩(wěn)定裕量會急劇減小，最終導(dǎo)致車輛傾覆.這對于雙履帶式車輛來說屬于結(jié)構(gòu)性缺陷，是難以避免的.

2.4 輪足復(fù)合式

輪足復(fù)合式越障方案將輪式方案的高速性與足式方案的靈活性結(jié)合，綜合兩者的優(yōu)點.此方案可以根據(jù)輪、足的相互關(guān)系進一步細分為輪足串聯(lián)式、輪足并聯(lián)式.

輪足串聯(lián)式越障方案，指用可動的連桿機構(gòu)連接車輪與機動平臺主體.一般情況下將連桿機構(gòu)鎖死，利用車輪驅(qū)動.特殊工況時，連桿機構(gòu)擺動充當(dāng)足的作用，實現(xiàn)越障功能.可以按照輪足的關(guān)節(jié)數(shù)，將此越障方案進一步劃分為：單關(guān)節(jié)式、多關(guān)節(jié)式.

單關(guān)節(jié)式越障方案，車輪與機動平臺主體之間僅有一個剛性連桿連接.陸軍裝甲兵學(xué)院的劉西俠等[7]研發(fā)了越障六輪機動平臺(如圖3).車身分為兩段，前車體和后車體，中間鉸接.前車體可以在液壓缸的作用下，繞鉸接點上下擺動，完成折腰動作.六個車輪通過擺臂與車體鉸接，擺臂可以帶動車輪繞鉸接點擺動，完成擺臂動作.控制重心塊的移動用以保證車輛的平穩(wěn).此方案可翻越的最大垂直高度主要受到中間輪的影響.

圖3 單關(guān)節(jié)輪足串聯(lián)式六輪機動平臺

徐工集團的王福德等[8]在普通的輪足式越障方案的基礎(chǔ)上，增設(shè)了輔助機械臂.當(dāng)車輛越障時，底盤的輪足式結(jié)構(gòu)來執(zhí)行翻越的動作，頂部機械臂進行輔助，用以維持車身的穩(wěn)定，進一步提高車輛的越障能力.

多關(guān)節(jié)式越障方案，即車輪和機動平臺之間由多段剛性桿構(gòu)成的連桿機構(gòu)進行連接，越障能力得到進一步的提升，但結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，控制更困難.北京航空航天大學(xué)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的六輪腿式機動平臺NOROS[9]，就是多關(guān)節(jié)式越障方案的典型實例(如圖4).此方案將車輪安裝在小腿上，當(dāng)小腿折疊時，車輪接觸地面行進.輪與平臺主體之間有腰關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié).可通過關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動完成翻越障礙的工作.足與腿之間靠球鉸鏈連接.在不同行駛狀態(tài)下，機動平臺均可以保持多種不同的姿勢，提高了復(fù)雜地形的適應(yīng)能力和通過性.

圖4 NOROS機動平臺

2.4.2 輪足并聯(lián)式

輪足并聯(lián)式越障方案，指機動平臺上同時裝備有輪、足兩套行進結(jié)構(gòu)，且將兩者完全隔離開.當(dāng)機動平臺處于輪式行進狀態(tài)時，足脫離地面，不參與行進動作.當(dāng)機動平臺處于足式行進狀態(tài)時，腿足機構(gòu)從車輛上伸出，支撐起車輛，使車輪脫離地面，依靠腿足行進.

2.5 輪履復(fù)合式

輪履復(fù)合式越障方案，指在機動平臺上同時裝備有車輪與履帶，在保證平臺行駛速度的前提下，提升其越障能力.通常利用變胞機構(gòu)理論，完成車輪與履帶的轉(zhuǎn)換工作.輪履復(fù)合式越障方案可以進一步分為輪履一體式、輪履分開式.

隨著經(jīng)濟發(fā)展以及外來文化的影響，復(fù)雜、耗時的傳統(tǒng)工藝被現(xiàn)代化的快速藝替代，社會流動帶來民族文化認同上的缺失，傳統(tǒng)土家族服裝實用功能減弱。在傳統(tǒng)式微的情形之下，土家族服飾逐漸消失在民眾生活的視野中。再者，隨著新時代對民族文化的消費，土家族服飾在“再設(shè)計”的過程中為了迎合表演或者觀者“獵奇”的心態(tài)發(fā)生了很多的變化，現(xiàn)代舞臺表演用的土家族服飾除了“西蘭卡普”元素之外，已經(jīng)和苗族、侗族甚至西式禮服相差不大。伴隨著土家族傳統(tǒng)服飾的“消逝”，現(xiàn)在在民眾生活中碩果僅存的就是繡花鞋墊，而且繡花鞋墊伴隨著時代發(fā)展，其形式、圖案都發(fā)生了很大的變化。

2.5.1 輪履一體式

輪履一體式越障機動平臺的車輪與履帶是一體的，依靠可變形履帶與伸縮機構(gòu)完成行駛模式的轉(zhuǎn)變.此種方案采用一套耦合重構(gòu)機構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，可在兩種行進方式之間進行快速切換.但是由于可變形履帶長度、伸縮機構(gòu)的限制，越障能力并不強.北京理工大學(xué)的郭文增等[10]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的付宜利等[11]均進行過此方面的研究.

2.5.2 輪履分開式

輪履分開式越障方案中，車輪與履帶是兩個獨立的行走部，可以分別驅(qū)動車輛運動.西安科技大學(xué)的田海波等[12]對輪履復(fù)合式機動平臺進行了研究.當(dāng)平臺在平直公路上行駛時，注重其行駛速度，完全由車輪驅(qū)動機動平臺行進.變胞機構(gòu)可以抬升車體，提高了面對復(fù)雜環(huán)境的通過性.當(dāng)平臺處于山丘、叢林等較差路況中時，變胞機構(gòu)抬升車輪，放下履帶，使履帶接觸地面并實現(xiàn)驅(qū)動，提升了機動平臺的越障能力.

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的李智卿等[13]也進行了輪履復(fù)合式機動平臺的研究，并提出了可行的方案.

2.6 足履復(fù)合式

據(jù)前文所述，雙履帶式車輛的穩(wěn)定裕度受地形的影響，越障能力難以提升.可以采用鉸接多履帶方案增加車輛的穩(wěn)定裕度.

貴州大學(xué)的羅瑜等[14]對四履帶串聯(lián)式行走機構(gòu)進行了研究(如圖5).車輛由四個履帶構(gòu)成，前面兩個履帶可以在活塞控制下繞鉸接點上下擺動，完成翻越障礙的動作，越障高度比雙履帶車輛有了較大的提升.

圖5 四履帶串聯(lián)行走機構(gòu)

依照多履帶的思路，在四履帶的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展出了六履帶機動平臺.西安科技大學(xué)的王川偉等[15]將六履帶的裝置應(yīng)用到了煤礦探測機動平臺上.

履帶的增多，可以增多機器人的步態(tài)，但也會帶來許多問題：控制的復(fù)雜化、電機的負荷能力等.應(yīng)該在滿足越障要求的前提下，簡化機構(gòu).以達到安全、可靠的要求.

2.7 輪足履復(fù)合式

根據(jù)前文對輪式、履帶式、足式機動平臺的描述可知，三者各有優(yōu)缺點，可以通過整合，使它們的優(yōu)點得以充分發(fā)揮，缺點相互彌補.輪式具有移動速度高、行駛平穩(wěn)的優(yōu)點，但其越野能力較差.履帶式地面適應(yīng)能力強，對復(fù)雜地形有一定的跨越能力.足式依據(jù)其仿生學(xué)優(yōu)勢，具有極強的越障能力.若上述三者結(jié)構(gòu)安排合理，將得到越障能力、越野能力、速度性能都較強的陸域機動平臺.輪足履復(fù)合式越障方案可以根據(jù)具體結(jié)構(gòu)進一步分為：以輪式平臺為主體的履帶擺臂式和以履帶平臺為主體的車輪擺臂式.

2.7.1 履帶擺臂式

履帶擺臂式越障方案中，輪式機動平臺是主體，履帶鉸接在平臺前后(如圖6).在正常行駛時，車輛只依靠車輪驅(qū)動，保證行駛的高速性.當(dāng)遇到崎嶇路面時，履帶接地，抬升整個車體，平臺依靠履帶驅(qū)動，越障能力有了一定程度的提升.當(dāng)遇到較難跨越的障礙時，履帶可以充當(dāng)“足”的角色，通過擺臂動作跨越障礙，越障步態(tài)與前文所述的六履帶機器人相似.

圖6 履帶擺臂式機動平臺

北京理工大學(xué)的段星光等，太原理工大學(xué)的徐剛等，均進行過此方面的研究[16-17].

2.7.2 車輪擺臂式

車輪擺臂式越障方案中，履帶式機動平臺為主體，車輪通過擺臂與車體連接.在正常行駛時，依靠履帶驅(qū)動，具有一定的越障能力.當(dāng)遇到崎嶇路面時，車輪可以參與驅(qū)動，擺臂能夠輔助車輛跨越障礙，提升車輛的越障能力.

中國科學(xué)院機器人學(xué)重點實驗室的王挺等[18]研制了輪足履復(fù)合式機動平臺CLIMBER.平臺主體為履帶驅(qū)動，前端處鉸接一個擺臂，擺臂端部有車輪，車輛同時具有輪、足、履三種驅(qū)動方式.可以完成傾倒自動復(fù)位、陷入軟土自行脫離等高難度動作.中國礦業(yè)大學(xué)的王軍等[19]也對車輪擺臂式越障機動平臺進行了研究，并提出了可行的方案(如圖7).

圖7 車輪擺臂式機動平臺

2.8 涵道風(fēng)扇式

陸域機動平臺面對一些無法逾越的障礙物時，可以利用涵道風(fēng)扇使平臺短時間內(nèi)升空，實現(xiàn)越障工作.

涵道風(fēng)扇可以實現(xiàn)垂直起落、水平飛行，并且結(jié)構(gòu)緊湊，運行時噪聲小，效率高，在相同功率條件下，涵道風(fēng)扇式驅(qū)動模式產(chǎn)生的推力更大[20].西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)均進行了此方面的研究.

涵道風(fēng)扇的引進對于陸域機動平臺來說是一個極具創(chuàng)新性的想法，利用涵道風(fēng)扇將平臺抬升后越過障礙.在災(zāi)難救援、物資搬運等方面都會帶來極大的便利.

3 陸域機動平臺越障技術(shù)的發(fā)展趨勢

依據(jù)越障技術(shù)目前的發(fā)展框架來看，從單動力模式到多動力模式，繼續(xù)發(fā)展，會出現(xiàn)適應(yīng)性極強的多動力模式的越障方案，但是可以預(yù)見，這種方案機械結(jié)構(gòu)、控制模式也會非常復(fù)雜.

所以在設(shè)計越障方案時，不能簡單進行結(jié)構(gòu)堆砌，要通過機構(gòu)復(fù)用來簡化機動平臺的機械結(jié)構(gòu)，使部分結(jié)構(gòu)在多種行進模式下均可以發(fā)揮作用，刪除冗余機構(gòu).

在現(xiàn)有的發(fā)展框架之外，我們也要尋找新的設(shè)計思路.大自然中，一些動物的運動特性可以給我們很大的啟發(fā).獵豹在陸地上奔跑的速度可以達到115公里每小時；山羊可以在陡峭的懸崖上運動；蛇類依靠身體的蠕動實現(xiàn)快速運動等.這些生物的運動原理對越障技術(shù)的研究有很多借鑒意義.所以說，仿生學(xué)將會給陸域機動平臺越障方案的研究帶來巨大的影響.

綜合上述分析，結(jié)合實際需求.未來，仿生學(xué)原理會給陸域機動平臺越障技術(shù)的發(fā)展帶來巨大的影響.

4 結(jié) 論

綜上所述，通過對陸域機動平臺越障技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié)，將越障技術(shù)劃分為8類，分別為輪式、足式、履帶式、輪足復(fù)合式、輪履復(fù)合式、足履復(fù)合式、輪足履復(fù)合式、涵道風(fēng)扇式.在對其越障能力進行分析后，可以得出結(jié)論：單動力模式的越障方案結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，但是越障能力往往較弱.多動力模式則相反，其越障性能、環(huán)境適應(yīng)性較強，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難.在現(xiàn)有的越障方案的發(fā)展趨勢下，機動平臺的性能增強與結(jié)構(gòu)簡化之間存在矛盾，難以提出兼顧的方案.

因此，在陸域機動平臺越障技術(shù)未來的研究中，一方面要利用機構(gòu)復(fù)用對現(xiàn)有方案的機械結(jié)構(gòu)加以簡化，在追求高性能的同時，也要保證機動平臺的可靠性.另一方面，應(yīng)該積極地尋找新的設(shè)計思路，可以從生物運動規(guī)律中尋找靈感，仿生學(xué)原理會為相關(guān)研究帶來啟發(fā)性的想法.