可重构车轮机构设计和研究

芦浩南，张鹏超，2，田智永

（1.陕西理工大学机械工程学院，陕西汉中 723000；2.陕西理工大学 陕西省工业自动化重点实验室，陕西汉中 723000）

0 引言

随着科技的发展和时代的进步，越来越多的危险或重复性的工作交给了机器人来完成[1]。随着科学技术的日益发展，机器人已经在军事、防灾救援、星际探索等各个方面有了重要应用[2]。移动机器人作为机器人学的重要分支，其移动机构的研究也一直受到重视[3]。传统移动机器人行走机构主要有轮式、履带式和腿式[1]。其中轮式机构具有速度快、结构简单，转向灵活等特点，但越障能力较差。轮式可分为常规轮式、异形轮式和变形轮式。常规轮式是指仅对传统机动平台的底盘悬架进行优化；异形轮是指设计新型车轮形状实现功能；变形轮是指对车轮结构进行设计，使其可根据外部条件进行主动或被动变形[4-5]（本文设计的可重构车轮即为变形轮式）。履带式机构越障能力出色但移动速度慢、履带容易磨损且能量消耗大。腿式机构最为灵活但行走速度慢且控制难度大[6-7]。为了解决这些缺陷，近些年出现了轮腿式、履腿式、轮履腿式等复合移动机构[8-9]，例如：长安大学基于液压系统设计的轮履复合机器人，江苏大学设计的轮履复合环保机器人，以色列埃尔比特系统公司的可重构履带机器人[10-11]。这些新型的底盘结构一定程度上提高了移动机器人对地形的适应性，但较高的环境适应性是用更大的重量、更复杂的结构和更大的能量消耗换取的，且很大程度上无法适应日常使用，并且使用前需要对原有移动机构进行拆卸更换[12]。本文设计的新型可重构车轮，在原有车辆车轮尺寸、重量和安装方式不变的前提下，直接替换普通车轮安装使用，使车辆车轮拥有在圆形（轮式）和类三角形（履带）之间进行自主转换的能力，从而大大提高其通过能力，使移动机器人或越野车可以仅通过更换原车轮的方法 获得更优秀的复杂路面通过性[13-14]。

1 可重构车轮技术方案

1.1 结构布局

本文设计的可重构车轮为了使移动机器人或越野车可以在铺装道路上正常行驶，同时在遇到泥泞、沙石等崎岖不平或容易沉陷等障碍时具有优秀的适应性，采用自主设计具有可重构功能的可变形轮毂，可以让车轮在保证正常行驶的圆形车轮模式和提高通过性的类三角履带模式之间进行转换（图1）。转换方式是由车轮通过轮毂内安装的液压杆提供动力，驱动驱动履带保持架旋转一定角度，使轮毂变形成类三角形，增大接地面积并减小接地比压，提高通过性[15]，并且由于液压杆独立工作的特质使其可以在圆形车轮模式和类三角履带模式自由转换。

图1 可重构车轮轮式模式及履带模式

1.2 运动模式

可重构车轮具有轮式、履带式和两者互相转换时的过渡模式等3 种运动模式。

（1）轮式运动模式。应用场景为正常道路或较平坦道路上行驶，如图1a）所示。液压变形装置收缩拉动履带保持架回收，履带保持架成圆形。此时车辆动力由车轴传递至可重构车轮，带动整体旋转从而驱动车辆前进。

（2）履带运动模式。应用场景为在崎岖或泥泞等容易沉陷的道路上行驶，如图1b）所示。液压装置将履带保持架推出并锁死，整体成类三角形。同时随着履带保持架的旋转，两节保持架中间的行星轮与内侧的太阳轮啮合，此时车辆动力由车轴传递至太阳轮，经与之啮合的行星轮传输从而将动力传递至履带。

（3）过渡运动模式。该模式是静止或行进中两个模式转换时的过渡模式。当轮式模式转换为履带模式时，液压杆驱动履带保持架旋转，此时车轮整体与车轴脱开链接，履带根据惯性继续向前运动，而液压变形机构由于自身重心并不在支撑轴线上，将自动旋转至履带运动模式的位置。随后液压杆继续驱动履带保持架直至行星轮和太阳轮啮合，轮毂变成类三角形，此时变形完成。当履带模式转换为轮式模式时，液压杆回收带动履带保持架旋转从而使行星轮和太阳轮分离。此时履带根据惯性继续向前运动直至整体变形至圆形，传动系统与车轴啮合，整体随着车轴旋转实现行进间变形。另外，为了保证可靠性和平顺性，其与地面接触的部位使用可重复替换的橡胶履带。

2 可重构车轮各部件结构设计

2.1 液压变形机构结构设计

当车辆行驶中遇到泥泞、崎岖不平等容易沉陷的地形时，可重构车轮将由车轮状态变换为履带状态，以增加附着力及减少压强，从而提高通过性。其中实现可重构车轮由车轮状态变换为履带状态是靠内部安装的液压变形机构驱动。液压变形机构由两个中心液压缸和两组共6 根液压顶杆构成（图2）。其中一组液压杆负责提供轮式形态到履带形态变形的动力，每根液压杆末端安装有连接器安装座，安装座通过销轴安装两个承重轮连接器，承重轮连接器与两个顶角承重轮相连。另一组液压杆通过销轴和履带保持架相连，为履带形态和轮形态提供动力。液压驱动控制精准快速、驱动力大且可靠性高。

图2 液压变形机构及行星齿轮机构

2.2 行星齿轮机构结构设计

行星齿轮机构是车轮实现驱动的核心，需要在履带状态时将车轴上的动力传递至履带上，并且在轮式状态时动力传递至车轮，同时需要在变形期间将动力断开，防止车轮在三角形的状态开始旋转造成损坏和颠簸。行星齿轮机构包含一个太阳轮和3 个行星轮，其中太阳轮与传动轴通过离合器相链接，传动轴通过联轴器和车轴相连实现动力传输，行星轮安装在两组履带保持架中间同时与履带啮合。

当可重构车轮处于车轮状态时，车轴动力直接驱动车轮旋转，整个行星齿轮机构不参与传动。当开始向履带状态变形时离合器松开，整个车轮惯性向前滚动，当液压顶杆完成动作时，行星齿轮与太阳轮啮合，此时离合器啮合，车轴动力经由太阳轮和行星轮传递至履带。

2.3 履带保持架结构设计

为了保证可重构车轮在轮式状态和履带状态下都有足够的刚性支撑车体，在履带内侧的承重轮两侧设计有履带保持架作为安装支架。履带保持架外侧为圆弧状，类似于正常车辆使用的轮毂，履带保持架可以保证轮式状态运动平稳，同时可以分散受到的冲击。每组对两个保持架安装两个普通承重轮和一个顶角承重轮，由于顶角承重轮经常受到冲击，因此采用强度更高的材料制造。其中相邻两组履带保持架通过一个行星轮外圈的轴承相连，同时可以绕行星轮进行一定角度的旋转，每两组履带保持架安装的7 个承重轮按圆周分布。此结构有6 组履带保持架共21 个承重轮零件，在轮式状态下为正二十一边形，近似为圆形；履带状态下为类三角形。

3 应用场景及整体尺寸设计

可重构车轮主要面向大型轮式机器人及越野车，帮助其提升地形通过能力。该装置不需要对车辆或机器人本身进行改装。采用和普通轮胎相同的安装方式，只需要将原车轮胎拆卸后将可重构车轮通过与原轮胎相同的螺栓螺母进行安装即可正常使用。因其控制系统和液压变形的动力系统均在车轮内部集成，所以并不需要额外的动力。

为了保证可重构车轮安装后不会和原车发生装配干涉，可重构车轮尺寸设计参考越野车最经常使用的315/70R17 轮胎，尺寸为652.3×315 mm。相同的外形尺寸设计即可保证可重构车轮变形前后或者变形过程均不会与车辆的自身结构发生干涉。

4 主要零部件强度校核

可重构车轮强度校核数值参考与美军大量装备的悍马H1型越野车类似的悍马H2 越野车。该车车重2909 kg，可承载4人总重量约320 kg，外加一些装备外设总重量取4 t，最大速度180 km/h，最大扭矩574 N·m。应用Ansys 软件对承载部件进行静应力有限元分析，并进行优化以保证在目标载荷下各承载部件的安全系数不小于2。

普通负重轮为工作状态的主要承重部件，轮式状态时极限情况每个车轮单负重轮着地，悍马最大爬坡角为60%约合30°。为保证普通负重轮的工作可靠性，根据可重构车轮工作状态对其底部添加Fixed Support（固定约束），材料选用7075 铝合金。单个承重轮按照17 000 N 施加作用力，受力点为轮体外圆面，固定点为轮体内圆面。通过ANSYS Workbench 进行应力分析，分析结果如图3 所示，最大应力沿圆周对称分布，安全系数最小为3.346，大于规定安全系数。

图3 承重轮有限元分析

可重构车轮的顶角负重轮的安装位置是类三角形的顶角，为履带状态下最容易受到冲击的位置。越野车在越野路面行驶的速度约为60 km/h，满载撞击至障碍物大约66 000 N，根据可重构车轮工作状态对其底部添加Fixed Support（固定约束），材料为40Cr 合金钢，满载撞击至障碍物按照66 000 N 施加作用力，受力点为轮体外圆面，固定点为轮体内圆面。通过ANSYS Workbench 进行应力分析，分析结果见图4，最大应力分布在中间段两侧，没有超过所选材料屈服极限，安全系数最小3.3214。

图4 顶角承重轮有限元分析

轴类零件是可重构车轮的主要承载部件，对与承重轮配合的承重轮轴和与行星齿轮配合的行星齿轮轴进行仿真，通过ANSYS Workbench 进行应力分析，材料均采用40Cr 合金钢，按照与承重轮相同的17 000 N 对承重轮轴施加作用力，受力点在最中心轴肩，固定点为外侧轴肩。分析结果如图5a）所示，安全系数最小为3.7978。承载轮轴最大应力集中在最大轴肩处，最大应力没有超过所选材料的屈服极限，安全系数最小为2.3985，应力分布较为合理（图5b））。

图5 轴类零件有限元分析

对可重构车轮施加负载后，作用力通过轴类零件传递至履带保持架，履带保持架为保证轮式状态和履带状态下的车轮形状需要有足够的强度，同时履带保持架的强度决定了整个可重构车轮的承载能力。通过ANSYS Workbench 进行应力分析其材料采用40Cr 合金钢，受力点为外侧圆弧面，固定点为内孔的外圆面。对其进行应力分析，仿真结果见图6。应力分布较为合理。安全系数最小为6.7311。

图6 履带保持架有限元分析

通过对以上关键零件的强度校核可知，整个可重构车轮机构结构合理且可以满足设计需要。

5 结论

提出一种应用于车辆及大型机器人的新型可重构车轮，对现有的可变形车轮进行结构设计和性能优化。通过改造原车辆安装的轮毂结构，将圆形轮毂改为具有变形能力的履带保持架，同时安装液压杆作为变形动力，使其具有变形能力，可以根据路况随时进行车轮状态和履带状态的转换，并通过优化变形流程及改进动力传输路线，可以在行驶中实现车轮到履带的转换。整套可重构车轮安装便捷，不需要对车辆或机器人进行特殊改装即可直接安装。可以大幅度提高现有车辆或机器人装备的机动性和通过性。在设计过程中，将传动系统机构和液压变形机构与车轮整体结构进行集成，从而减轻可重构车轮整体重量并优化了结构。通过对零部件的优化并进行强度校核，保证整个可重构车轮拥有优秀的承载能力和可靠性。