金承珂，張曉龍，溫秀平，紀(jì)宇，劉林偉

(南京工程學(xué)院 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引言

輪履變換是近期提出的新型運(yùn)動(dòng)方式之一[1-3]，尤其適用于以平地為主偶有臺(tái)階、樓梯的城市環(huán)境。傳統(tǒng)的輪履結(jié)合依靠疊加機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)臃腫且體積大，已經(jīng)不適合現(xiàn)在的環(huán)境；而輪履耦合機(jī)器人只需要一套輪履耦合機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊、可快速完成輪式行走和履帶式行走的切換，兼?zhèn)漭喪綑C(jī)器人和履帶式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)[4]。當(dāng)遇到不易下陷的路面時(shí)，機(jī)器人以輪式行走[5]；遇到沼澤、泥潭等地形時(shí)，機(jī)器人則以履帶方式行走[6-7]；當(dāng)遇到垂直障礙時(shí)，機(jī)器人利用履帶結(jié)構(gòu)中較高的誘導(dǎo)輪進(jìn)行越障。該技術(shù)可以應(yīng)用在小型地面移動(dòng)機(jī)器人[8]、越障爬樓輪椅[9-11]以及需要快速進(jìn)行輪履變換的場(chǎng)合。比如，需要更換三角履帶輪的軍用越野車或民用重型越野車輛在更換三角輪時(shí)大約需要20min，而采用輪履變換方案可在短短幾秒內(nèi)完成切換，大大提高了更換效率?，F(xiàn)在的研究大多只是針對(duì)大型車輛設(shè)計(jì)的輪履耦合結(jié)構(gòu)，而對(duì)于小型機(jī)器人的研究還很少見(jiàn)[12]。

因此，本文針對(duì)小型機(jī)器人提出了一種輪履耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新思路。該結(jié)構(gòu)的特色之處在于，這種新型結(jié)構(gòu)不局限于橡膠履帶，而是采用強(qiáng)度和耐磨性更高、阻力更小的金屬履帶。在遇到障礙時(shí)，較高的誘導(dǎo)輪會(huì)幫助其越障。當(dāng)越野機(jī)器人在較平坦的路面進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，越野機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)為輪式；而當(dāng)越野機(jī)器人遇到沼澤、廢墟和臺(tái)階時(shí)，其輪子內(nèi)部?jī)筛姹蹘?dòng)履帶展開，轉(zhuǎn)化為履帶式移動(dòng)。這樣可以將輪式移動(dòng)的高速、高效和履帶式移動(dòng)高越障性的優(yōu)點(diǎn)有效地組合，從而使越野機(jī)器人的可行駛范圍得到大幅度拓展。同時(shí)，該越野機(jī)器人在履帶狀態(tài)下受到?jīng)_擊時(shí)叉臂會(huì)向內(nèi)略微收緊，以此來(lái)緩解沖擊，保護(hù)其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

1 輪履耦合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 通用部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可采用普通直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。車體內(nèi)部主要有電機(jī)、傳動(dòng)帶、主軸、離合器和內(nèi)側(cè)車輪板等。離合器配有離合器撥叉、舵機(jī)齒輪；內(nèi)側(cè)車輪板配有拉索、板彈簧。電機(jī)利用中間撓性件(同步帶)將動(dòng)力傳遞到主軸上。車體橫截面圖如圖1所示。

圖1 車體橫截面結(jié)構(gòu)

1.2 輪式傳動(dòng)路線設(shè)計(jì)

輪式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，離合器與主軸相連，內(nèi)側(cè)車輪板也與離合器相連，此時(shí)叉臂由于離合器帶動(dòng)拉索而處于收緊狀態(tài)，履帶被叉臂向內(nèi)帶動(dòng)并被叉臂夾住，并將內(nèi)側(cè)車輪板與外側(cè)車輪板露出，并依靠它們行走。

1.3 履帶式傳動(dòng)路線設(shè)計(jì)

履帶式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，離合器與主軸脫離，又與內(nèi)側(cè)板脫離，而叉臂由于車輪板上安裝的扭簧而處于伸展?fàn)顟B(tài)，履帶被張緊，并從車輪板伸出，同時(shí)由電機(jī)帶動(dòng)的主軸利用同步帶將動(dòng)力傳輸?shù)脚c叉臂同軸布置的兩個(gè)主動(dòng)輪上，主動(dòng)輪帶動(dòng)履帶使車輪行走。

輪式運(yùn)轉(zhuǎn)與履帶式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輪板如圖2所示。

圖2 輪履變換時(shí)輪板內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.4 輪履變換過(guò)程設(shè)計(jì)

當(dāng)履帶式向輪式轉(zhuǎn)變時(shí)，舵機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，利用齒輪齒條機(jī)構(gòu)將撥叉向內(nèi)側(cè)移動(dòng)。此時(shí)離合器由于撥叉的作用也向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，并同時(shí)與主軸、內(nèi)側(cè)車輪板接合。與此同時(shí)，這3個(gè)部件同步回轉(zhuǎn)，即車輪整體同步回轉(zhuǎn)。而離合器靠外的部分固定有拉索，離合器帶動(dòng)拉索向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，拉索的另一端固定在叉臂上。拉動(dòng)前，叉臂由扭簧與履帶固定(用扭簧向外推動(dòng)，外側(cè)的限位依靠履帶周長(zhǎng))；拉動(dòng)后，叉臂向內(nèi)收縮，收起并夾住履帶，并將輪子露出。

當(dāng)輪式向履帶式轉(zhuǎn)變時(shí)，離合器向外側(cè)移動(dòng)，拉住叉臂的拉索松開；叉臂在扭簧的帶動(dòng)下張開，并將履帶拉直；而內(nèi)部由于離合器脫離，內(nèi)側(cè)車輪板在偏心輪與板彈簧的預(yù)緊力下以正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況保持穩(wěn)態(tài)。此時(shí)以履帶式行走。

2 輪履耦合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

當(dāng)履帶式運(yùn)行時(shí)，叉臂展開，將承重輪與誘導(dǎo)輪推出車輪板，主軸外側(cè)的同步帶輪利用同步帶將動(dòng)力傳輸?shù)街鲃?dòng)輪上，主動(dòng)輪帶動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)輪式運(yùn)行時(shí)，所有輪子板內(nèi)部的構(gòu)件與主軸同軸旋轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)化車體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 輪履耦合車體外側(cè)結(jié)構(gòu)爆炸圖

此處有一個(gè)難點(diǎn)，就是如何使車輛運(yùn)行時(shí)輪式變換為履帶式時(shí)，叉臂能可靠地夾住履帶。能否可靠夾緊涉及幾方面因素：1)夾緊速度，可通過(guò)加大舵機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)；2)履帶質(zhì)量，由于金屬履帶慣性大，故無(wú)需額外改進(jìn)；3)履帶銷與履帶板之間的摩擦力矩，可通過(guò)提高履帶銷與履帶銷孔的表面粗糙度方式予以改善；4)車速，雖然此輪履耦合機(jī)構(gòu)可在運(yùn)行過(guò)程中變換運(yùn)行模式，但履帶式變換為輪式時(shí)車速不能過(guò)快，車速過(guò)高時(shí)，履帶受到的慣性力過(guò)大，會(huì)使夾緊不可靠，甚至無(wú)法夾住履帶。此時(shí)履帶可能會(huì)脫離車輛，故要設(shè)置一個(gè)履帶式變換為輪式時(shí)的最高車速。

3 輪履耦合越野機(jī)器人跨越障礙姿態(tài)分析

表1為輪履耦合越野機(jī)器人參數(shù)說(shuō)明。

表1 參數(shù)說(shuō)明

綜上分析可得：θ=δT，T=LF，S=L/tanθ，S=Esinβ，F(xiàn)=kG/4，β≤arcsin[L/Etan(δLkG/4)]

綜上所述，若需改變履帶擺動(dòng)角，則可選擇改變內(nèi)輪板偏心距或改變板彈簧參數(shù)(工作長(zhǎng)度與倔強(qiáng)系數(shù))，但β不可遠(yuǎn)小于arcsin[L/Etan(δLkG/4)]，否則越野機(jī)器人在輪式向履帶式轉(zhuǎn)變時(shí)，會(huì)因履帶的角度位置不正確而顛倒。

在使用剛性履帶且張緊合適的情況下，履帶整體可等效為一個(gè)剛體，在通過(guò)垂直障礙時(shí)，前誘導(dǎo)輪的高度決定了能越過(guò)垂直墻的最高高度；而障礙的類型決定了越障時(shí)的障礙沖擊前叉臂的壓力角。前、后履帶中心扭轉(zhuǎn)角隨爬30°坡障礙百分比的簡(jiǎn)化函數(shù)曲線(未計(jì)算慣性的影響)如圖4所示。在越野機(jī)器人以履帶運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，履帶可根據(jù)地形的變化而旋轉(zhuǎn)一定的角度，如圖5所示。這兩幅圖用于對(duì)利用此結(jié)構(gòu)的越野機(jī)器人中板彈簧等局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 前、后履帶中心扭轉(zhuǎn)角隨爬30°坡障礙百分比的函數(shù)曲線

圖5 在不同地形上運(yùn)動(dòng)示意圖

4 輪履耦合運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)特性分析

輪履耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在可以用輪式運(yùn)動(dòng)達(dá)到高速、低能耗的效果，利用履帶式運(yùn)動(dòng)以達(dá)到高越障能力、高通過(guò)性。其運(yùn)動(dòng)特性就在于這種移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以依靠?jī)?nèi)部的結(jié)構(gòu)完成輪式、履帶式轉(zhuǎn)化，而不是像普通輪履復(fù)合機(jī)構(gòu)那樣帶有兩套臃腫的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。所以該輪履耦合移動(dòng)機(jī)構(gòu)除了可以在路況較好的路面上快速移動(dòng)外，也可在沼澤、廢墟和火場(chǎng)等惡劣地形上運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到搜索、偵察、爆破等特殊任務(wù)；且更輕盈的結(jié)構(gòu)可以提高加速度，減小能量損耗，提高續(xù)航能力，以達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

本文的結(jié)構(gòu)圖中沒(méi)有畫出軸承，因較小的實(shí)物模型可利用減磨材料如特氟龍片等作為滑動(dòng)軸承使用，若做成成熟的越野機(jī)器人結(jié)構(gòu)需更改部分結(jié)構(gòu)，如安裝法蘭等。由于本文介紹的結(jié)構(gòu)中輪式運(yùn)行時(shí)，車體與地面接觸的只有內(nèi)輪板與外輪板，故只適合在比較平整且堅(jiān)固的路面上運(yùn)行。若遇到對(duì)越野要求不是特別高的地形，如較為濕潤(rùn)的泥土路面等，就利用輪式運(yùn)行，否則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重下陷，甚至可能會(huì)損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)。若要提高輪式的通過(guò)性，則可提高內(nèi)輪板與外輪板的厚度，也可做成孔板式或者輪輻式。

由于輪式運(yùn)行時(shí)，接觸地面的壓強(qiáng)較大，故內(nèi)輪板與外輪板要用強(qiáng)度較高的材料，例如表面硫化掛膠的高錳鑄鋼。

5 控制系統(tǒng)

5.1 系統(tǒng)概述

該輪履耦合式越野機(jī)器人控制系統(tǒng)分為手動(dòng)控制與自主控制兩種方式。

手動(dòng)控制采用手持終端遙控設(shè)備對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。該手持終端遙控設(shè)備采用2.4G無(wú)線通信模塊與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過(guò)獲取遙控面板信息將其轉(zhuǎn)換為規(guī)定數(shù)據(jù)包格式，并以指定通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。機(jī)器人接收到相應(yīng)幀數(shù)據(jù)之后將該數(shù)據(jù)按規(guī)定數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，通過(guò)數(shù)據(jù)解析得到機(jī)器人運(yùn)行速度、運(yùn)行模式、運(yùn)動(dòng)方向等數(shù)據(jù)，最終通過(guò)解析得到數(shù)據(jù)對(duì)底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)控制。

自主控制通過(guò)遠(yuǎn)端控制臺(tái)發(fā)送目標(biāo)位置，機(jī)器人通過(guò)北斗衛(wèi)星、GPS模塊進(jìn)行定位，通過(guò)獲取當(dāng)前位置并結(jié)合接收到的目標(biāo)位置來(lái)調(diào)用谷歌地圖或百度地圖API并實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃來(lái)獲取路徑信息，最終通過(guò)控制電機(jī)來(lái)改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)陀螺儀來(lái)進(jìn)行姿態(tài)矯正。越野機(jī)器人通過(guò)樹莓派搭載OpenCV采集攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理并配合外部光電傳感器對(duì)周圍路況進(jìn)行分析來(lái)實(shí)現(xiàn)在行進(jìn)過(guò)程中的自主避障。

5.2 硬件系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航、自主避障與越障功能，輪履耦合越野機(jī)器人的硬件電路各模塊需要結(jié)合其功能完成選型與設(shè)計(jì)，合理的硬件電路設(shè)計(jì)將為越野機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供硬件保障。越野機(jī)器人的硬件電路總體設(shè)計(jì)思路如圖6所示，其主要模塊選型如下：

圖6 越野機(jī)器人的硬件電路總體設(shè)計(jì)思路

1) 主控制器：主控制器是機(jī)器人的核心，采用stm32系列單片機(jī)用于接收并處理各單元發(fā)送的信息，協(xié)調(diào)整機(jī)工作，并在執(zhí)行控制算法之后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給伺服電機(jī)等執(zhí)行設(shè)備，控制機(jī)器人的運(yùn)行。

2) 電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)：該設(shè)計(jì)采用帶有modbus通信協(xié)議的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置與主控進(jìn)行通信，具有較高的拓展性。

3) 避障系統(tǒng)：采用樹莓派搭載OpenCV采集攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理具有較高的性能。OpenCV是開源的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，具有強(qiáng)大的開源社區(qū)和一些內(nèi)置函數(shù)供調(diào)用，并加入外部光電傳感器對(duì)周圍路況進(jìn)行輔助檢測(cè)。

4) 陀螺儀：采用MPU9250九軸傳感器控制姿態(tài)MPU9250集成了三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸地磁計(jì)。其自帶的MPL(motion processing library)庫(kù)，只需將傳感器數(shù)據(jù)push到MPL lib，MPL會(huì)處理9軸數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前姿態(tài)角度，頻率最高可達(dá)200Hz。

5) SIM808通信與北斗、GPS模塊：SIM808是由SIMCOM推出的GSM+GPS+藍(lán)牙三合一組合模塊。北斗、GPS模塊結(jié)合了北斗、GPS技術(shù)來(lái)獲取當(dāng)前經(jīng)緯度信息。它采用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的USART接口，可輕松通過(guò)USART與主控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

6) 電源模塊：電源正常供電是機(jī)器人各單元正常工作的前提。電機(jī)為24V電壓，該機(jī)器人的電源選用6s35C的鋰電池，并通過(guò)Sepic斬波電路進(jìn)行穩(wěn)壓后送至伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在保證電機(jī)可以獲得可靠電壓的同時(shí)減少降壓帶來(lái)的能耗，并通過(guò)多路LDO線性穩(wěn)壓至各模塊工作電壓后送至各單元模塊進(jìn)行供電。

5.3 軟件系統(tǒng)

該機(jī)器人整機(jī)通信采用modbus通信協(xié)議，主要分為主控制器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝器、無(wú)線接收板、視覺(jué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)部分。各部分均帶有RS485接口。

6 結(jié)語(yǔ)

輪履耦合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種十分有效的越障方式。然而，通常研究的輪履耦合機(jī)構(gòu)由于要求履帶長(zhǎng)度的變化，故只能裝備可變長(zhǎng)度的柔性履帶，故導(dǎo)致強(qiáng)度、耐磨性、機(jī)械效率和適用性都較低。在通過(guò)高溫區(qū)域，或長(zhǎng)時(shí)間在復(fù)雜區(qū)域運(yùn)作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生起火融化及過(guò)度磨損等問(wèn)題。

本文提出的輪履耦合機(jī)構(gòu)特別適用于小型、微型越野機(jī)器人，而且對(duì)動(dòng)力要求不高的中大型越野機(jī)器人可將輪履變換的原動(dòng)件裝入車輪中，利用無(wú)線通信或在軸周圍安裝電刷類的結(jié)構(gòu)傳遞電力與信號(hào)。

筆者已完成以3d打印結(jié)構(gòu)為主的樣車模型的制造與裝配，并完成了基本的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。但若要用于實(shí)際情況，需改變或添加部分結(jié)構(gòu)(如連桿、軸承、法蘭等)，并以機(jī)加工為主進(jìn)行加工制造。

本文論述的機(jī)構(gòu)是在車輪內(nèi)安裝了可以展開履帶的結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)內(nèi)的部件都有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，且結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度高，耐高溫，耐磨。

如果要進(jìn)一步對(duì)這個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)在于輪板和叉臂。