中圖分類號(hào)：TH122 DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.07.012

0 引言

地面特種移動(dòng)機(jī)器人可廣泛應(yīng)用在抗險(xiǎn)救災(zāi)、執(zhí)行軍事任務(wù)等領(lǐng)域，其所面臨的大多是非結(jié)構(gòu)化的工作環(huán)境。地面通過性是評(píng)價(jià)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。因而，如何提高非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜環(huán)境下移動(dòng)機(jī)構(gòu)的通過性，一直以來都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。常見的移動(dòng)形式主要有輪式、履帶式、腿式7-8和復(fù)合式。輪式機(jī)構(gòu)通過1個(gè)或多個(gè)輪子與地面滾動(dòng)摩擦2-4進(jìn)行移動(dòng)，主要應(yīng)用在硬質(zhì)道路和平地環(huán)境中；在泥濘、雪地和沙地等惡劣地形條件時(shí)，易出現(xiàn)打滑、沉陷等狀況。履帶移動(dòng)形式分為雙平行履帶式、雙鰭狀履帶式、四履帶式8-9、六履帶式[]、八履帶式[等，主要用于沙漠、雪地和不平坦的地面環(huán)境中，履帶移動(dòng)速度較慢，能量消耗大，且機(jī)動(dòng)性差。腿式機(jī)構(gòu)主要用于不平坦的地形和障礙物環(huán)境[1]123-126，相較于輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有較強(qiáng)的地面適應(yīng)性，但其機(jī)械和控制系統(tǒng)復(fù)雜，能耗利用率較低，維護(hù)成本較高；同時(shí)，足部末端與地面接觸面積小，在泥濘、沙地和雪地等地形中容易出現(xiàn)打滑和沉陷狀況。復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)由輪子、履帶或者腿式機(jī)構(gòu)組合而成，包括輪-履式[12]、輪-腿式[13]、腿-履式[14]和輪-履-腿式[15-17]

特種機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)時(shí)，既要有足夠的移動(dòng)速度，又要兼具脫困能力。復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)則具備了單個(gè)運(yùn)動(dòng)模式的優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)器人在特殊環(huán)境下運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)選擇。德軍SDKFZ254輪履混合裝甲車[18]30-32裝載了輪履互換式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可在快速移動(dòng)時(shí)收起履帶，復(fù)雜路面時(shí)懸空輪子，使履帶與地面接觸。擁有類似機(jī)構(gòu)的還有輪履雙臂救援機(jī)器人[18]65-70。該款機(jī)器人機(jī)構(gòu)煩瑣且體積龐大，移動(dòng)靈活性非常差。載貨爬樓車以及輪履組合式爬樓輪椅[也應(yīng)用了輪履組合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。其原理是將輪履移動(dòng)模塊結(jié)合，使得輪椅爬樓梯的性能得到提高。但該結(jié)構(gòu)僅能用于上、下樓梯，不具備快速移動(dòng)功能。SOUCYTRACK三角履帶輪的悍馬H2四履帶輪雪地車2可在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模式的切換；但該機(jī)構(gòu)體積龐大，切換動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)包含液壓和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制切換系統(tǒng)異常復(fù)雜。以色列埃爾比特系統(tǒng)公司研發(fā)了一款名為“毒蛇（VIPER）”的便攜式機(jī)器人，質(zhì)量為 10kg ，空載時(shí)最高運(yùn)動(dòng)速度為 7.9km/h^[21] 。該機(jī)器人底盤布置了兩條移動(dòng)履帶和多個(gè)行走輪，可適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境，但該款機(jī)器人不具備輪履切換功能。

陸軍軍事交通學(xué)院和天津理工大學(xué)相繼開發(fā)出變形輪[22]。這兩款變形輪結(jié)構(gòu)較為相似，均由腹板伸縮機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和可變形履帶組成，由液壓系統(tǒng)提供切換動(dòng)力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了輪履變結(jié)構(gòu)式反恐機(jī)器人，采用雙曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模式的展開與回收[23]。當(dāng)前的輪履可重構(gòu)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)大多通過改變履帶的長(zhǎng)度、增加支承來實(shí)現(xiàn)從輪式到履帶式的轉(zhuǎn)變。兩種模式切換過程中，履帶長(zhǎng)度變化較大，通常采用彈簧等彈性元件進(jìn)行補(bǔ)償。該方式會(huì)造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、可靠性降低。

本文提出了一種無須彈性補(bǔ)償元件且運(yùn)動(dòng)模式自由切換的輪履可重構(gòu)車輪。車輪模式時(shí)移動(dòng)方式為整體轉(zhuǎn)動(dòng)；履帶模式時(shí)，通過行星傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)末端滾輪帶動(dòng)履帶周轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)無須停車即可實(shí)現(xiàn)9種運(yùn)動(dòng)模式的切換。

1 可重構(gòu)車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 1 系統(tǒng)組成

變形輪系統(tǒng)如圖1所示，主要由行星展收機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、離合機(jī)構(gòu)等組成，總體尺寸為 200mm× 200mm×120mm 。行星展收機(jī)構(gòu)通過直線電缸將末端主支承輪頂起，實(shí)現(xiàn)圓形到三角形輪帶的切換。在變形輪變形過程中，行星展收機(jī)構(gòu)的3個(gè)齒輪始終處于嚙合狀態(tài)，從而將動(dòng)力傳輸?shù)捷喚?，?shí)現(xiàn)履帶的周轉(zhuǎn)。直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為變形提供外展、內(nèi)收動(dòng)力。離合機(jī)構(gòu)為履帶的周轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。

1.2 運(yùn)動(dòng)模式

可重構(gòu)車輪適用于不同的移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景，運(yùn)動(dòng)模式設(shè)計(jì)為9種，如圖2所示。

根據(jù)車輪的設(shè)計(jì)尺寸、動(dòng)力元件選型及試驗(yàn)測(cè)試，9種運(yùn)動(dòng)模式參數(shù)如表1所示。

1.3 變形機(jī)構(gòu)

變形機(jī)構(gòu)由車輪機(jī)架、多個(gè)支承輪、3組滑塊、6組搖桿、3個(gè)同步履帶滾輪構(gòu)成，如圖3所示。圓形到三角形運(yùn)動(dòng)形態(tài)過渡時(shí)，車輪機(jī)架1上面安裝直線電缸，通過電缸將驅(qū)動(dòng)輪頂出，帶動(dòng)輔助輪收回，實(shí)現(xiàn)圓形到三角形運(yùn)動(dòng)模式過渡。反之，則由三角形過渡到圓形運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

1.4行星展收傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

行星展收機(jī)構(gòu)如圖4所示。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，固連在主軸上的大齒輪1帶動(dòng)小齒輪1反向加速旋轉(zhuǎn)，與小齒輪1固連的大齒輪2帶動(dòng)小齒輪2反向加速旋轉(zhuǎn)；傳動(dòng)過程中，4組齒輪連桿分別保證兩對(duì)齒輪能正確嚙合；同步履帶滾輪通過從動(dòng)軸與小齒輪2固連，帶動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng)。

1.5 離合機(jī)構(gòu)

變形輪在輪履模式中的切換，需要通過離合機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，離合機(jī)構(gòu)如圖5所示。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊上、下移動(dòng)，最終通過連桿帶動(dòng)摩擦片實(shí)現(xiàn)與主軸的切換。其中，摩擦接觸面的摩擦因數(shù)為μ_cl ；相互作用力為 N_cl ；電動(dòng)機(jī)G1提供的轉(zhuǎn)矩為 T_G1 螺母導(dǎo)程為 h ；摩擦半徑為 r_cl 。

由擺桿擺動(dòng)引起的摩擦片的橫向移動(dòng) δx_cl 為

δx_cl=δθ_cll₅sinθ_cl

摩擦片貼合狀態(tài)下，相互之間支持力 N_cl 為

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 T_cl 為

由式（5）可知，在保證離合機(jī)構(gòu)總體尺寸不變大的情況下，減小 h 、 l_s 或 θ_cl ，均可增大離合器的輸出轉(zhuǎn)矩。這一結(jié)論可為輪-履模式切換時(shí)離合器的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩選擇提供參考。

2 變形機(jī)制

可重構(gòu)車輪在輪-履切換過程中，履帶應(yīng)始終處于最佳的應(yīng)變均值內(nèi)，即在變形前后周長(zhǎng)保持不變，確保車輪不會(huì)因履帶被過度拉扯而影響使用壽命。本節(jié)就變形機(jī)制進(jìn)行分析。首先，確定初始狀態(tài)履帶長(zhǎng)度；其次，計(jì)算連桿轉(zhuǎn)角；最后，確定變形中心位置與連桿轉(zhuǎn)角關(guān)系。

2.1 初始履帶長(zhǎng)度的確定

變形過程初始條件為履帶長(zhǎng)度保持不變。圖6所示為變形機(jī)構(gòu)工作原理。過 J 點(diǎn)的履帶分段始終與 X 軸平行。

螺紋旋轉(zhuǎn)角 φ 與導(dǎo)程 h 的關(guān)系為

δθ_cl 為螺母移動(dòng)引起的擺桿角度變化，除了和 δh 有關(guān)，還與驅(qū)動(dòng)連桿的長(zhǎng)度 l_1y l₂ 、 l₃ 和 l₄ 有關(guān)，即

δθ_el=f_el（l₁，l₂，l₃，l₄）δh

履帶長(zhǎng)度 l_track 為

（6）

式中， 為 P 點(diǎn)到 L 點(diǎn)之間的弧長(zhǎng)； 為 M_i 點(diǎn)到 I_i 點(diǎn)的弧長(zhǎng)； ∣LM₁∣ 為 L 點(diǎn)到 M₁ 點(diǎn)的直線距離; |I_j-1M_j| 為 M_j 點(diǎn)到 I_j-1 點(diǎn)的直線距離； ∣I₄J∣ 為 I₄ 點(diǎn)到 J 點(diǎn)的直線距離。

用 （x_Hi，y_Hi） 和 （x_F，y_F） 分別表示 H_i（i=1，2，3，4）和 F 的坐標(biāo)，根據(jù)幾何關(guān)系整理得

其中，

θ₃=∠PFH₁-∠NFH₁=iπ+（-1）ⁱ.

在初始狀態(tài)（滑塊行程 s=0 ）下， H_i 坐標(biāo)為 ，2，3，4。變形輪初始坐標(biāo)值如表2所示。

將表2中的初始數(shù)據(jù)代入式（7），可得到滑塊行程 s=0 時(shí)，履帶的長(zhǎng)度為 104.5mm 。

分析變形機(jī)構(gòu)變形前后履帶長(zhǎng)度基本保持不變的條件，僅需研究不同A、 D 坐標(biāo)對(duì)履帶長(zhǎng)度的影響。

當(dāng)滑塊行程 sgt;0 時(shí)，令坐標(biāo)系 XOY 跟隨點(diǎn) E 移動(dòng)。點(diǎn) E 、 F 固定，4個(gè)支承輪跟隨連桿 DE 繞點(diǎn) E 旋轉(zhuǎn)，初始輪中心 O₀ 固定在機(jī)架上朝 OF 方向的反方向移動(dòng)，如圖7所示。

2.2連桿 DE 旋轉(zhuǎn)角確定

在 s 值一定時(shí)，分析連桿 DE 繞點(diǎn) E 的旋轉(zhuǎn)角 Δθ 對(duì)履帶周長(zhǎng)的影響。注意到，當(dāng) Δθ 處于不同范圍內(nèi)時(shí)，其表達(dá)式各不相同。設(shè) θ₄^?0=0，θ₉^?0=π/3rad 1，整理得到履帶長(zhǎng)的通用表達(dá)式，若 Δθ∈（θ_n⁰ ， θ_n+1⁰] ， n= 4，5，6，7，8。其中，當(dāng)輪 H₄ 未離開履帶時(shí)， n= 4；以此類推，當(dāng) H₁ 離開履帶時(shí)， n=8 。

H_i 的坐標(biāo)（ i=1 ，2，3，4）分別為

其中，

則履帶長(zhǎng)度 l_track 與連桿 DE 旋轉(zhuǎn)角 Δθ 的函數(shù)關(guān)系如圖8所示。當(dāng) s=10mm 時(shí)，分析 l_track 與連桿 DE 旋轉(zhuǎn)角度 Δθ 的關(guān)系。當(dāng)固定滑塊移動(dòng)距離 s=10mm 時(shí)，履帶長(zhǎng)度隨 Δθ 的增加而平滑變短；當(dāng)達(dá)到 θ₈⁰ 時(shí)保持不變，與現(xiàn)實(shí)情況相似； Δθ=17.02^° 交點(diǎn)處于θ₅⁰ 的右側(cè)，說明此時(shí)支承輪 H₄ 已經(jīng)離開履帶。與地面的接觸面積由 H₃ 的橫坐標(biāo)，即 x_H3 確定。將 Δθ= 17.02^° 代入式（10）可得到

變形前后的觸地面積比 T_dar 為

由式（12）可知，變形后輪胎的觸地面積大幅增加，可有效地提升防滑能力。若要獲得更大的觸地面積，需要曲線 l_track 與曲線 的交點(diǎn)橫坐標(biāo)變大，即車輪直徑與滑塊有效行程的比值需要增大。

2.3變形機(jī)構(gòu)中心坐標(biāo)確定

連桿旋轉(zhuǎn)角確定后，分析坐標(biāo)點(diǎn)A、 |DE| 、 |AD| 和 s 的值對(duì) Δθ 的影響。以 C 點(diǎn)為原點(diǎn)，向量 l_cB 為 y 軸，以 s（s≠0） 為單位長(zhǎng)度建立坐標(biāo)系。在此坐標(biāo)系下， A 點(diǎn)坐標(biāo)記為 ，與 XOY 坐標(biāo)系下的坐標(biāo) 的變換關(guān)系為

式（13）對(duì)坐標(biāo)點(diǎn) D 也同樣適用，由幾何關(guān)系可知

其中， i=0 時(shí)，滑塊移動(dòng)距離為 0 i=1 時(shí)，滑塊移動(dòng)距離為s，則△θ=0li=，-0l=0°

研究 Δθ 的可達(dá)條件：首先，假設(shè) A^c 點(diǎn)固定，將|DE|^c 與 |AD|^c 作為自變量， Δθ 作為因變量。 |DE|^c 與|AD|^c 所在區(qū)域滿足以下條件

在區(qū)域范圍內(nèi)存在一個(gè) Δθ 最大值，記作 Δθ_max 。對(duì)于每一個(gè) A^c 點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的 Δθ_max 。以 x_A^C 為 X 軸， y_A^C 為 Y 軸， Δθ_max 為 Z 軸，建立笛卡兒坐標(biāo)系。Δθ 的可達(dá)條件為： Δθ_max?17.02^° 。使用Counter函數(shù)計(jì)算，當(dāng) Δθ_max=17.02^° 時(shí)，可以確定 |DE|^c 為4.068， |AD|^c 為3.93，由此時(shí) 可以確定 ∣DE∣= 40.68mm ， ∣AD∣=39.3mm ； A 點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo) x_A= 7.24mm ， y_A=43.86mm 。

通過Matlab軟件仿真可知， Δθ_max 與 A 點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系如圖9所示。構(gòu)建機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型后，變形機(jī)構(gòu)中心坐標(biāo)在以 C 為原點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)系下數(shù)值為： x_A^c= 2.9， y_A^C=5.7 ；可求得連桿旋轉(zhuǎn)角 Δθ_max=64.82^° ，滿足 Δθ 的可達(dá)條件 Δθ_max?17.02^° 。

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1履帶變形量測(cè)試

變形輪整體支架采用尼龍材料打印而成；履帶通過非標(biāo)定制，外側(cè)為防滑胎紋，內(nèi)側(cè)設(shè)有同步齒形；供電線路與外界電源通過滑環(huán)連接。組裝變形機(jī)構(gòu)、離合機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)，即可得到變形輪機(jī)構(gòu)，如圖10所示。

為驗(yàn)證數(shù)字化模型的正確性，對(duì)履帶變形前、后進(jìn)行周長(zhǎng)測(cè)量，如圖11所示。測(cè)量得到，變形機(jī)構(gòu)輪履變形前后周長(zhǎng)分別為623.7、 625.5mm ，周長(zhǎng)變化率 Sl_track=（625.5-623.7）/625.5≈0.29% ，結(jié)果在制造精度充許的誤差范圍內(nèi)。

3.2 運(yùn)動(dòng)模式切換測(cè)試

變形輪面向不同運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，需要切換不同運(yùn)動(dòng)模式。變換時(shí)間是影響變形輪適應(yīng)性的最關(guān)鍵因素。運(yùn)動(dòng)模式試驗(yàn)分為三角履帶到輪式轉(zhuǎn)變和輪式到三角履帶轉(zhuǎn)變兩種類型。

在三角履帶式到輪式轉(zhuǎn)變過程中，將變形輪設(shè)置為三角形履帶形態(tài)[圖12（a]，此狀態(tài)下用12V的電壓激勵(lì)主電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器、主軸和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上方的同步履帶滾輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng)；控制器發(fā)出變形指令，變形機(jī)構(gòu)回縮圖12（b）]；當(dāng)變形機(jī)構(gòu)完全回縮時(shí)，車輪以圓形履帶的形式運(yùn)動(dòng)[圖12（c）]，觸發(fā)限位傳感器，周轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)絲杠回縮，車體機(jī)架與車輪機(jī)架取消相對(duì)固定，離合電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，離合機(jī)構(gòu)摩擦片與齒輪摩擦片接觸，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與車輪機(jī)架相對(duì)固定，車輪變?yōu)橐粋€(gè)整體，主電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)車輪持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)[圖12（d）]。三角履帶到車輪模式試驗(yàn)的切換時(shí)間如表3所示。

在輪式到三角履帶轉(zhuǎn)變過程中，控制器發(fā)出變形信號(hào)，檢測(cè)到定位槽未到位，不給予動(dòng)作[圖12（e）];待檢測(cè)到定位槽隨輪體將要轉(zhuǎn)動(dòng)到正確位置，周轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，彈簧積累勢(shì)能；離合機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，摩擦片與齒輪片分離，車體機(jī)架與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)取消相對(duì)固定[圖12（f]；車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，定位槽到達(dá)正確位置，周轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)定位銷插入定位槽中，車體機(jī)架與車輪機(jī)架完成相對(duì)固定，主軸動(dòng)力通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng)[圖12（g）]；檢測(cè)到定位銷成功定位，變形機(jī)構(gòu)啟動(dòng)，電缸伸出[圖12（h）]，到位后回到三角履帶形態(tài)[圖12（i]。車輪模式到三角履帶切換試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間數(shù)據(jù)如表4所示。

由表3、表4可知，變形回縮平均時(shí)間為 0.32s ，變形外伸平均時(shí)間為 0.49s ，離合鎖定平均時(shí)間為1.01s，離合分離平均時(shí)間為 0.88s ；變形時(shí)間比離合時(shí)間稍短。變形機(jī)構(gòu)為直線電缸，響應(yīng)速度相對(duì)較快；離合機(jī)構(gòu)通過絲杠驅(qū)動(dòng)，效率較低。變形外伸時(shí)間相對(duì)收縮時(shí)間較長(zhǎng)，外伸時(shí)需要克服履帶和自身重力。離合分離時(shí)間相比鎖定時(shí)間較短，原因在于蓄能釋放補(bǔ)充能量，增加分離轉(zhuǎn)矩，完成摩擦片瞬間脫離。

3.3不同地面的速度測(cè)試

搭建變形輪鋁型材機(jī)架，框架下側(cè)有輔助輪，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)支架安裝在型材上面。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電源、支架、變形輪、控制系統(tǒng)總質(zhì)量為 9.2kg ，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的輸入電壓設(shè)定為 12V 。以地板、泥土、沙土3種環(huán)境測(cè)試車輪在輪式模式和履帶模式的移動(dòng)速度，泥土材料為田園土，含水率為 25% ，厚度為 60mm 沙土為建筑用沙，厚度為 60mm 。以圖12中的輪式（d）和三角履帶式（a）模式為例，開展試驗(yàn)測(cè)試，如圖13所示。3種地面的測(cè)試結(jié)果如表5所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，輪式和履帶式在普通干路面上勻速行駛時(shí)的行駛速度相差不大，輪式比履帶式速度高 5.01% 。這是由于履帶式比輪式要多克服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中各個(gè)零件的摩擦阻力。

3.4不同地面的通過性測(cè)試

壁面的通過性主要體現(xiàn)在車輪與壁面的摩擦因數(shù)。測(cè)試平臺(tái)如圖14所示，測(cè)試地面分別為平地、泥地和沙地。測(cè)試時(shí)，拉力計(jì)一端固定在車輪上，一端固定在固定柱上，啟動(dòng)車輪，測(cè)試最大靜摩擦力，進(jìn)而求得摩擦因數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。在3種不同材質(zhì)的地形中，當(dāng)處于同一運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，平地的靜摩擦因數(shù)最大，泥地、沙地次之。在平地運(yùn)動(dòng)時(shí)，履帶式摩擦因數(shù)比輪式摩擦因數(shù)高 30% ；泥地高 46% ；沙地高 56% 。相比履帶模式，隨著路況下降，地面通過性顯著增加，這使得車輪能夠更好地應(yīng)對(duì)泥濘或沙地等復(fù)雜路面。

4結(jié)論

1）提出了一種無須彈性補(bǔ)償元件的輪-履可重構(gòu)變形輪，并對(duì)變形輪展收變形機(jī)構(gòu)、離合機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成進(jìn)行深入剖析；設(shè)計(jì)了變形輪面向路面類型可實(shí)現(xiàn)的9種運(yùn)動(dòng)模式。

2）建立了變形過程中的幾何模型，研究變形機(jī)制，分析影響履帶前后長(zhǎng)度變化的因素，如連桿長(zhǎng)度、變形機(jī)構(gòu)中心坐標(biāo)、連桿旋轉(zhuǎn)角，得到 Δθ 的可達(dá)條件： Δθ_max?17.02^° 。連桿長(zhǎng)度 ∣DE∣=40.68mm ，∣AD∣=39.3mm ， A 點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo) x_A=7.24mm， y_A= 43.86mm ，得到連桿旋轉(zhuǎn)角 Δθ_max=64.82^° 。

3）搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試變形輪在不同場(chǎng)景下的變換模式。變形輪周長(zhǎng)變化率為 0.29% 。并對(duì)不同地面特征下車輪的速度、通過性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，輪式模式在平地、泥地以及沙地的移動(dòng)速度比履帶稍快；在通過性方面，在平地運(yùn)動(dòng)時(shí)，履帶式摩擦因數(shù)比輪式摩擦因數(shù)高 30% ；泥地高 46% 沙地高 56% 。該變形輪能夠適應(yīng)多種復(fù)雜路面。

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Research on the deformation mechanism of reconfigurable wheel-tracked wheel with planetary expansion and retraction

LIU Jinful2 LI Zelin3XULinsen4JIANG Zhengyan1SHENPenghui' （1.SchoolofIntelligentControl，ChangzhouVocational InstituteofIndustryTechnology，Changzhou21364，China） （2.School ofAutomation， Southeast University，Nanjing210o96，China） （3.SchoolofEngineeringScience，UniversityofScienceand TechnologyofChina，Hefei 23O026，China） （4.School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University， Changzhou 2132oo， China）

Abstract：[Objective]To met thetask requirementsofground-based special robots incomplexenvironments，suchas earthquakerelief，awhel-trackedreconfigurablewheelwithoutelasticcompensationelements wasdesigned.[Methods]Firstly thesystemcompositionand workingprinciplesoftheplanetaryexpansionandretractionmechanism，deformationmechanism， andclutch mechanism were introduced，and the motionmodes achievablebythedeformable wheel indiferent working scenarioswerediscussd.Secondly，ageometric parametermodelof thewheeldeformation processwas established，andthe wheel-tracked transformation mechanism was analyzed.Factors afecting the lengthofthe track before andafterdeformation， suchastherotationangleofthelinkage，sliderdisplacement，andcentralcoordinatesofthedeformationmechanism were identified.Thn，aprototypeoftherobotandaestplatformweredesigned，andthetestvalidationwasconducted.inallya controlsystemwasdeveloped，andthewheel’sspeedandpassabilityweretested inthreeenvironments：flatground，muddy terain，ndsandyterrin.[Results]Teresultssowthatthelengthvariationrateofthetrack inwheeandtrack modes isonly 0.29% .Through thecoordinated actionof thedeformation mechanism，transmisionmechanismand clutch mechanism，the deformablewheelcan fulyachieveswitchingamong nine motionmodes，providingreferencefor futuremulti-scenario applications of special robots.

Key Words：Reconfigurable deformationwheel; Planetaryexpansionandretraction;Deformationmechanism;Wheeltrackedmode;Clutch mechanism