助老助残轮履协同移动平台设计的数值仿真分析

李晓东 谢有浩 李俊 吴正宇 张珂

【摘 要】针对助老助残轮履协同移动平台轮履的转换效率低及轮履无法协同作用的问题，提出了一种新的轮履协同移动平台。文章主要对移动平台的轮履转换机构及轮履转换工作原理进行了研究，并分析了履带与台阶接触的作用，分析了助老助残轮履协同移动平台设计的数值仿真，根据分析结果证明了轮履协同的方式具有更加良好的攀爬能力，说明助老助残轮履协同平台具有一定的实用性。

【关键词】轮履协同;助老助残;数值仿真

【中图分类号】TP23 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）12-0064-02

轮履式移动平台有轮履复合式及轮履变结构。后者移动平台轮履采用整体设计，轮履的转换会相对较慢，所以选择弹性履带。由于轮履式移动平台对于履具有非常高的要求，在使用的过程中，履带与地面会有较长时间的接触，所以履带会产生较为严重的磨损;而轮履复合移动平台采用的是分开设计轮和履的形式，所以轮履复合移动平台结构较为简单，并且在安装与维护方面的速度和便捷性也更加良好，但是在攀爬的过程中，会出现轮子不产生有效作用的情况。

1 移动平台总体结构及传动布局

1.1 总体结构

助老助残轮履协同移动平台的结构主要包含轮履转换机构、履带行走机构、车架、轮式行走机构等，其整体是呈现出左右对称的结构，并且采用的是轮履分开设计的方式，这种方式更加便于后期的安装与维护[1]。总体结构如图1所示。

移动平台轮式行走结构采用的是四轮布置的方式，后轮为驱动轮，前轮为万向轮，这种设置方式会更加容易实现移动平台的差速转向运动。由连杆组成的轮式行走的结构，可以围绕着轮腿铰点进行摆动。用户对于移动平台具有不同的需求与不同路况，需要采用不同的行走方式，所以要求轮履的转换更加方便[2]。

履带行走结构是根据用户对于攀爬台阶及楼梯的需求，主要是四履带双摆臂的结构，通过两摆臂履带动轴，然后进行驱动，并且还能够围绕主履带进行旋转。此外，基于用户的需求的考虑，还减小了质心波动。因为橡胶履带的减振效果非常好，所以履带结构使用橡胶履带是效果最好的。它的结构特点为内履带齿与驱动轮内啮合传动的方式，但是履带棱与地面之間的摩擦力需要进行加大。

1.2 传动布局

移动平台需要7个电机进行驱动。而履带行走结构则主要采用的是两侧主履带单独驱动的方式，这样在行走过程中可以使履带实现差速转向移动。此外，为了两摆臂的摆角能够实现一致性，需要摆臂履带同轴驱动。

移动平台轮式行走机构主要是两驱动轮单独驱动，这种方式会使得移动平台轮式行走向差速转向运动转换更加方便快捷。除此之外，考虑到移动平台自锁及移动平台结构尺寸在攀爬台阶及楼梯等障碍过程中的问题，履带行走机构中的全部驱动都是采用蜗轮蜗杆直流电机驱动的方式[3]。

2 轮履转换机构设计及工作原理

2.1 轮履转换机构设计

本研究中有一个重难点问题，那就是轮式行走姿态要如何实现快速地转换向履带行走姿态，因此，助老助残轮履协同移动平台中的核心机构对于轮履转换机构有了很好的证明。

由平面四连杆机构进行变形之后能够获得移动平台转换机构。因为平面四连杆机构的结构相对简单，并且运动方面十分灵活，所以可以通过平面四连杆机构使轮式行走快速实现向履带行走的转换。此外，转换机构的部件很多，其中的腿杆、拉杆、车架、推杆之间相互进行铰接之后，可以构成平面四连杆机构。

2.2 工作原理

在向履带行走姿进行转换的过程中，轮式行走姿态的转换丝杠步进电机会推动推杆进行横向运动，通过利用摆杆转动可以将平面四连杆机构进行变形。然后在脚杆的带动下车架下沉。转换丝杠步进电机则利用推杆继续运动，直到车轮与地面之间形成抬高的动作。这样就可以使移动平台轮式的行走姿态实现了转换向履带行走姿态的过程。

当车轮之间与地面具有一定高度时，可以单独控制前后轮腿的摆动角度，因此需要根据具体情况调整车轮与地面之间的距离。在轮式行走的过程中，摆臂履带呈现的是收回的状态;而履带行走姿态下的摆臂履带是能够前伸的，并且摆臂履带与主履带能够形成前攻角，从而使得履带的攀爬能力提高[4]。

3 数值仿真分析

为了对轮履协同移动平台攀爬台阶及楼梯的性能进行更层次的探讨，采用数值仿真分析的方法，查看助老助残轮履协同移动平台攀爬方式的具体数值[5]。移动平台主要的结构参数见表1。

4 总结

综上所述，随着社会的不断进步与发展，传统的助老助残轮履复合移动平台轮履转换机构渐渐地显现出许多的缺点。例如，在台阶和楼梯的攀爬过程中，轮履之间无法良好协同、工作效率低等。因此，本文基于此提出了助老助残轮履协同移动平台。首先对履带与楼梯踏步接触的作用进行了分析;其次提出了移动平台在攀爬过程中不产生滑移的条件，并以此作为移动平台在攀爬过程中的前提;最后进行了数值仿真分析，根据数据可以得知研究中提出的助老助残轮履协同移动平台能够实现轮履协同运动，并且攀爬能力更好。

参 考 文 献

[1]李海泓.轮履变结构反恐机器人设计与研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[2]田海波，马宏伟，张一澍，等.轮履复合式机器人设计及其可包容地形分析[J].机械设计，2014（9）.

[4]田海波，方宗德，杨坤，等.轮腿式机器人设计及其运动特性分析[J].机械设计，2010（6）.