轮履复合移动平台连杆切换机构的设计分析

王 腾，杜忠华，谢 磊，尚宇晴

（南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094）

1 引言

在城市废墟搜救和工程探险勘测、反恐防暴、军事侦察、星球探测[1]等复杂环境下事件的应对中，人员的伤亡十分严重，为实现机器人代替执行高危任务的目的，各国日益重视对无人战车的研究。目前的无人战车存在的问题主要是：履带式平台拥有很强的地面通过性和环境生存力，但机动灵活不足，响应迟缓；轮式平台机动灵活，反应快速，但地面通过性和环境适应性差。所以轮-履复合是移动平台研究的热点与趋势[2-4]。目前轮履复合最常见的方式是一平台同时安装轮式和履带式机构，在不同的场合使用相应的行走机构，如美国的Andros移动平台[5]和沈阳自动化研究所“灵蜥”反恐防暴移动平台[6]；但大多此类移动平台并没有实现轮、履的彻底切换，不能实现纯轮、纯履的运动；或者明显偏重一方，另一方只起辅助作用。另一种方式为模块化可更换形式，即针对不同环境，需要进行轮、履人为更换，国内外普遍通用一种三角履带总成[7]；这大大削弱了平台的自主性，无法满足战场需求。第三种为基于变胞原理的复合方式，根据环境变化、任务需求，平台进行自我重组和重构。如Viper移动平台采用的以色列Galileo公司研制的轮履复合式底盘[8]，此类平台内部结构较为复杂，控制困难，可靠性差。针对以上讨论，提出的轮履复合移动平台，通过关节式切换机构实现轮、履的组合与彻底转换。既克服了履带式作战平台机动灵活不足，响应迟缓的缺点，又解决了轮式作战平台地面通过性和环境适应性差的问题。而且自主性高，既能满足实战要求、又控制可靠。

2 系统组成

移动平台的结构布局，如图1所示。整体看，履带模块设置在车体的两侧，形似车体的肋部位置，轮子安装在车桥（包括前桥和后桥）上，形似车体的四肢部位。关节式轮履切换机构设置在车体内部的四角方位，车桥再通过切换机构安装在车体上。如此布局，履带前后轮与车体刚性连接，跨越壕沟、越障和承载能力更强。车轮采用四驱的模式，能够实现平台灵活运动和差速转向，动力性好。现有的轮履复合移动平台研究中对悬架的研究不多，普遍较为简陋，功能不全。本研究自主设计的主、被动结合的悬架能够主动调整车桥相对地面的位置高度，既做到轮履切换又实现爬坡越障；主动悬架与切换机构一体化设计。被动悬架下挂弹性元件、导向机构以及减震器，能够补偿四个轮子之间的离地高度差。保障平台行走的平顺。

图1 移动平台结构布局Fig.1 Robot Structure Layout

移动平台具有轮式和履式两种运动模式，轮型模式，如图2（a）所示。适用于平坦路面，实现快速前进、转弯、后退，灵活迅速、机动性高；履带模式，如图2（b）所示。附着力大，通过性好，用于爬坡越障、跨越壕沟，任意地形下平稳前进；移动平台还可以实现不完全切换，如图2（c）所示。应对特殊场合，如在翻越台阶时，采用车前轮先抬起登上台阶，车后轮着地，使履带保持一定高度，辅助翻越的策略。这种方式使得平台的质心更容易攀越台阶的外角线。

图2 移动平台运动模式及姿态Fig.2 Robot Movement Pattern and Attitude

3 轮履切换机构设计

3.1 基本构成

轮履切换机构是设计的核心，如图3所示。切换机构单个模块由一个电缸，一个固定座，若干连杆和若干根销轴组成，各连接处通过销轴铰接，由电缸驱动。

图3 轮履切换机构结构示意图Fig.3 Structure Diagram ofthe Wheel-Track Switching Mechanism

3.2 工作原理

行走方式由履带式向轮式切换时，电缸5的推杆伸出，推动摆动杆1绕A点转动，摆动杆1带动连杆2旋转，连杆2推动悬臂杆3带动车桥落下。推杆完全伸出后，摆动杆1正好竖直，与连杆2重叠，同时悬臂杆3上限位块抵住连杆2，使得连杆2前有限位块抵住，后因推杆推住，前后都不能转动。此时连杆机构锁死。地面传递给轮子的力最终由连杆2在竖直方向承受，推杆只是在侧边抵住，保持结构不变，几乎不受力，避免了震动可能对电缸造成的损伤。

行走方式由轮式向履带式切换时，电缸5推杆缩回，运行顺序相反，切换终止后，应避免摆动杆1与电缸5共线，停留在死点位置，出现下一轮切换锁死现象。

3.3 运动学分析

轮履切换机构为五杆机构，杆EF为伸缩驱动杆，机构简化运动学模型，如图4所示。图中：1、3—极限位置，选用一般位置（加粗实线）分析。

图4 轮履切换机构运动过程Fig.4 Movement Process of the Wheel-Track Switching Mechanism

在坐标系x′Ay′下，定义摆动杆杆长lAB、连杆长lBC、悬臂杆长lDC、底座销孔位置距离为lAD，构成的封闭矢量方程式（以复数形式表示）为：

式中：φ3、φ2、φ1—悬臂杆 3、连杆 2、摆动杆 1 与 x′轴的正方向的夹角；均以x′轴的正方向逆时针方向度量。

上式可解得φ3和φ1的关系：

同理，在坐标系xAy下得到θ1与伸缩杆长lEF的关系。其中：θ1为摆动杆与轴的正方向的夹角；θ2为电缸中轴线与轴的正方向的夹角；

又由关系 φ1=θ1-β，lEF=l0+δ，得到 φ1和 δ的关系。

式中：l0—电缸原长；

δ—电缸伸长量。

所以，最终可求得轮子最低点所在水平线与履带最低点所在水平线高度差：

式中：r—轮子半径；

R—履带轮半径；

lDH—悬臂杆3长度。

上极限位（轮式）时，h符号为正；h下极限位（履带式）时，符号为负。

通过h-φ3-φ1-θ1-lEF-δ，至此我们得到h与δ的位置间关系表达式。

将式（1）对时间求导数可得速度关系：

同理，得ω1表达式：

式中：v0—电缸推杆的运动速度。

由此我们得到机构ω3与v0的速度间关系。

上述分析对悬臂杆的驱动与控制相当重要，特别是在移动平台攀爬障碍时，悬臂杆需要定时定量且精准的完成起落，这需要对电缸推杆的伸长量进行严格控制，才能实现目的。

4 优化研究

4.1 定义变量

四杆机构设计是一个多变量、多目标、多约束、非线性的优化设计问题。

定义设计变量：

4.2 目标函数

为使在轮式模式下，机构实现自锁，避免电缸受震。要求摆动杆1竖直时，连杆2也竖直并与之重合，注意到此时状态的特点：φ2=3π/2-β。这里，将这一关系处理为φ2无限接近这个目标值，φ2可由式（1）解出。定义二者差值绝对值的最小值为目标函数。

在满足悬臂杆起落跨度需求下，我们希望角速度ω3变化范围越小越好。

根据此连杆机构的特性可知，ω3为递减函数，最大值出现在1位置，最小值出现在3位置。

还希望所需电缸推力（和拉力）越小越好。分析易见，机构在1位置，推杆受拉力最大；在履带刚脱离地面，轮子受到地面支撑（h=0）时推力最大。连杆为二力杆，摆动杆、悬臂杆均存在三力汇交。这里由于杆长参数未定，质量未知，且推力最大时速度较低，所以能用静力学分析代替动力学，忽略连杆重力与惯性力，提出的目标函数是必要不充分的，但是表明的关系、优化的方向是一致的。

分别对A、D点取矩，又得一目标函数：

式中：G—车体单元、履带模块和切换机构总重量，方向指向y轴负方向。

综上所述，轮履切换四杆机构优化设计的目标函数为：

式中：μ1、μ2、μ3—加权因子，和为 1。

4.3 约束条件

（2）履带模式下，终止位置电缸要与摆动杆呈一定角度不共线，设计传动角σ不小于［σ］[10]；

（3）运动过程中不能发生轮履之间、杆与杆之间的干涉等；满足以上条件，优化出各杆长及铰接孔位距离尺寸搭配。

建立数学模型：

由基本参数：标准台阶高×宽：（160×260）mm；故 160mm≤。电缸推力6000N，电缸初始长与行程关系：l0=δmax+105，选用δmax＝100mm、l0=205mm。其它：r=127mm（8寸）、R=142mm、β=45°、G=1200N、v0=12mm/s。取：μ1=0.8、μ2=0.1、μ3=0.1。

4.4 优化结果

四杆机构优化问题是一个有限定条件的非线性规划问题。通过Matlab优化工具箱，将上述数学模型转换为程序语言，求解可得各参数值，如表1所示。（优化值取小数点后一位）：

表1 轮履切换模块机构参数表Tab.1 Wheel-Track Switching Module Parameter Table

根据表中参数，编写程序，电缸伸长量δ在一定范围内按一定步长循环取值，对比优化前后h、ω3和Q的变化曲线，如图5所示。

图5 目标优化前后对比Fig.5 Comparison of Optimized Goals with Before

由图5看出，优化后的曲线，范围变小，坡度变缓，前者可提高效率、节省时间，后者使切换过程更平顺，速度和受力更合理。其中受力图中突变处为轮履切换的瞬间，受力情况由轮胎和履带的变形而定，并非突变，较为复杂，此处暂未作考虑。

5 结论

针对轮履复合移动平台的轮履切换机构进行了设计优化研究，获得了以下几点结果：（1）采用典型连杆机构，加入自锁特性，设计了一款轮履复合切换机构，解决了轮履复合及切换问题。（2）建立了连杆机构的运动学模型，从运动学的角度，分析了轮、履切换的运动过程，以及机构位置、速度、受力的状况，并求得输入与输出之间的运动关系。（3）提出了一种综合位置、速度、受力指标，对四连杆机构参数进行多目标优化的方法，获得了较优的四杆机构参数，为连杆机构的其他类似应用提供了参考。