一种大负载的变形轮设计与运动分析
2022-04-21邓志燕陈少南
邓志燕 余 冰 陈少南
（中广核研究院有限公司，深圳 518100）
破拆机器人作业环境复杂多变，对机器人的运动灵活性、越障性和环境适应性等特性提出了更高的要求。其中：轮式行走机构具有较高的机动性，但行动易受地形环境限制；履带式行走机构具有越野性能 好、爬阶梯、越障以及通过性强等优点，但其能耗大、灵活性差且工作效率低。轮履复合式机构兼具轮式和履带式的优势。目前，国内外研究机构已研制出轮履组合式、可变形履带式以及轮履变体式等多种轮履复合式移动底盘[1-5]。
曹冲振等设计了一种轮履复合式爬楼轮椅，在轮椅前后分别装配轮式和履带式行走机构，较好地实现了轮椅上下楼梯的功能[6]。胡军中等开发的轮履复合式车轮，可以进行平地轮式、履带式运动以及上下坡运动，灵活性和机动性显著增强[7]。但是，目前这类机构主要应用于小负载的移动载体，缺乏大负载的变形轮移动载体的研究。本文以大功率破拆机器人为背景，设计了一款大负载变形轮体，有效发挥了履带式和轮式行走机构的优点，负载能力大，越野性能好，机动性强。
1 变形轮结构设计及运动机理
1.1 变形轮结构设计
本变形轮兼具轮式和履带行走特性，能根据不同的作业需求实现轮式和履带运动状态切换。单轮负载大于2 t。在轮式状态下，变形轮需具有较高的运动速度和较低的能耗。在履带式状态下，变形轮应有足够的接地面积和驱动力。
基于以上要求，本文提出的轮履复合式变形轮总体结构如图1 所示。整个变形轮包括驱动模块、变速箱和轮体3 部分。其中：驱动模块为轮体运动提供驱动力；变速箱进行两种运动模式切换；轮体为变形轮工作和变形的主要执行机构，根据模式切换指令进行圆形和三角形运动状态切换，直接与地面接触，并与地面摩擦产生前进动力。
1.2 工作原理
变形轮工作原理如图2 所示。轮式行走时，轮毂与中心轴连为一体，变形油缸伸出，带动变形瓣将履带撑开至圆形状态。驱动模块通过中心轴旋转将动力传递至履带链轮，驱动履带及所有构件转动。
履带式行走时，轮毂与中心轴分离，变形油缸缩回，带动变形瓣将履带回缩至三角形状态。驱动模块通过中心轴旋转将动力传递至履带链轮，驱动履带转动，其他构件（轮毂等）保持静止。
1.3 行走性能分析
设整车满载质量为G，考虑地面高低不平，设安全系数为K，则单个轮子支撑力Fs为：
1.3.1 履带行走工况
当采用履带式行进时，其驱动模块至履带传动 比为：
平地行走，忽略风阻，设履带与地面的摩擦系数为φ，单轮需要的牵引力为：
式中：R 为主动轮分度圆直径。
则驱动模块的输出扭矩为：
驱动模块转速为：
1.3.2 轮式行走工况
履带变形圆形后，驱动轮为整个轮。设圆形轮的直径为D，此时液压驱动装置到轮体的传动比为：平地行走，设轮式与地面的摩擦系数为φ′，则单轮需要的牵引力为：
驱动模块的输出扭矩为：驱动模块转速为：
综上分析，在G=7 t、D=700 mm、R=85 mm、i′=0.977、i′′=1.1、φ=0.2、φ′=0.1、履 带 行 走 速 度为3 km·h-1、圆形最高速度为10 km·h-1的情况下：履带工况变形轮输出扭矩为416.5 N·m，驱动装置输出扭矩为425.97 N·m，输出速度为93.62 r·min-1；圆形工况驱动装置输出扭矩为792.9 N·m，输出转速为 83.6 r·min-1，满足要求。
2 变形轮试验验证
2.1 试验平台
为了验证大负载变形轮性能，1 ∶1 加工变形轮，并搭建试验平台进行变形功能和测功测试（如图4 所示），其中测试时测功机通过变速箱、第四轴和第四轴上的传动齿轮与变形轮连接。测试过程中，通过测功机动态施加反向扭矩来测试变形轮的负载能力，其中变速箱的变速比为1 ∶6.3，如1.3 节履带行走工况计算，在3 km·h-1行走速度下，变形轮的输出扭矩为416.5 N·m 换算到测功机端为66.1 N·m。因此，为保证变形轮履带工况的牵引力，只需测功机反向扭矩不大于66.1 N·m，变形轮能正常运转即可。
2.2 试验结论
履带工况下变形轮在压强为25 MPa、转速为 560 r·min-1的情况下转动，给测功机动态施加反向扭矩，测量数据如表1 所示。其中：Uab、Ubc、Uca是变形轮端油泵电机参数；Tt为测功机扭矩；N 为第四轴转速。
从表1 可见：在扭矩73.1 N·m 时，变形轮仍可正常转动。可见，变形轮三角履带状态下的牵引力满足要求。
表1 履带式工况平地模拟试验数据
3 结语
本文对变形轮总体结构、变形原理及关键机构参数进行分析，同时对圆形和履带运动模式的运动性能进行对比分析，最后搭建试验平台进行试验验证。试验结果表明，变形轮可以在大负载工况下实现轮式和履带式的自由切换和运动，运动负载满足设计要求。本变形轮可应用于特种机器人等重型载具，有助于提升特种机器人的运动性能和复杂环境的适应能力。
