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自适应可变形轮腿式移动机构

张娜 沈灵斌 李晔卓 荀致远 王丹 姚燕安

张娜, 沈灵斌, 李晔卓, 荀致远, 王丹, 姚燕安. 自适应可变形轮腿式移动机构[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(11): 1705-1712. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190320
引用本文: 张娜, 沈灵斌, 李晔卓, 荀致远, 王丹, 姚燕安. 自适应可变形轮腿式移动机构[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(11): 1705-1712. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190320
Zhang Na, Shen Lingbin, Li Yezhuo, Xun Zhiyuan, Wang Dan, Yao Yan'an. Self-adaptive Deformable Wheel-legged Mobile Mechanism[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(11): 1705-1712. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190320
Citation: Zhang Na, Shen Lingbin, Li Yezhuo, Xun Zhiyuan, Wang Dan, Yao Yan'an. Self-adaptive Deformable Wheel-legged Mobile Mechanism[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(11): 1705-1712. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190320

自适应可变形轮腿式移动机构

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190320
基金项目: 

装备预研教育部联合基金项目 6141A02022621

北京电子科技职业学院校内重点课题项目 YZK2015023

详细信息
    作者简介:

    张娜(1976-), 讲师, 本科, 研究方向为机械设计与制造, znizn@sina.com

    通讯作者:

    李晔卓, 讲师, 博士后, liyezhuo@bjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TP242

Self-adaptive Deformable Wheel-legged Mobile Mechanism

  • 摘要: 提出一种可自适应切换移动模式的轮腿式移动机构,通过欠驱动切换设计以提高移动机构在复杂地形的移动能力。该移动机构无需驱动单元即可在类轮模式和轮腿模式之间进行模式切换,减小了变形驱动模块的复杂度以及机构的整体质量。该机构在平坦路面上机构以类轮模式行走,遇到障碍时旋转车身可切换成轮腿模式通过。对该机构在两种运动模式下直行、转弯、越障等过程进行理论分析并建立动力学仿真模型,得到并验证机构转弯半径函数及最大越障高度等。制作一台理论样机验证其可行性。理论分析与实验结果表明,该机构具有传统轮式机构行驶稳定性以及腿式机构高越障性,且自适应切换可显著提高其地面通过能力。
  • 图  1  自适应可变形轮腿式移动机构

    图  2  自适应变形轮结构

    图  3  类轮模式行走示意图

    图  4  轮腿模式行走示意图

    图  5  越障过程仿真示意图

    图  6  移动机构的转弯过程模型

    图  7  移动机构的运动学模型

    图  8  车轮的展开状态

    图  9  类轮模式越障

    图  10  轮腿模式越障第一阶段

    图  11  轮腿模式越障第二阶段

    图  12  类轮模式行走质心位移

    图  13  轮腿模式行走质心位移

    图  14  移动机构样机

    图  15  移动机构的垂直障碍越障实验

    图  16  移动机构的连续台阶攀爬实验

    图  17  移动机构的草地通过实验

    表  1  参数及其含义

    参数 含义
    r/mm 转弯半径
    B/mm 左右车轮轮距
    ωT/(rad·s-1) OT瞬时角速度
    ωR/(rad·s-1) 右侧车轮角速度
    ωL/(rad·s-1) 左侧车轮角速度
    vT/(m·s-1) OT相对于地面的速度
    vR/(m·s-1) 右侧车轮外侧线速度
    vL/(m·s-1) 左侧车轮外侧线速度
    M/(N·m) 电机转矩
    R/mm 类轮模式下半径
    l/mm 轮腿模式下半径
    h/mm 障碍物高度
    β/(°) 越障轮腿和地面之间夹角
    θ/(°) 车身和地面之间夹角
    α/(°) Ni和地面之间夹角
    G/N 车体自身重力
    fi/N 轮腿受障碍物摩擦力
    Ni/N 轮腿受障碍物支持力
    l1/mm 前后轮轮距
    OT 前轮左右车轮的轮心连线中点
    μ 动摩擦系数
    O1 左侧车轮轮心
    O1 右侧车轮轮心
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    表  2  机构尺寸表

    参数 数值
    机构总质量/kg 1.9
    单一车轮质量/kg 0.2
    机构尺寸/mm 500×300×200
    电机输出转矩/(N·mm) 3 100
    车轮半径R/mm 70
    车轮展开半径l/mm 117
    行驶速度/(m·s-1) 0.22
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    表  3  机构性能参数

    性能 数据
    最大越障高度 160 mm
    爬坡能力 ≤30°
    运行速度 0.2 m/s
    最大连续运行时间 3 h
    适应地形 平地、垂直障碍物、草地、连续台阶等
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-18
  • 刊出日期:  2020-11-01

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