助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的數(shù)值仿真分析

李曉東 謝有浩 李俊 吳正宇 張珂

【摘 要】針對(duì)助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)輪履的轉(zhuǎn)換效率低及輪履無(wú)法協(xié)同作用的問(wèn)題，提出了一種新的輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)。文章主要對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)及輪履轉(zhuǎn)換工作原理進(jìn)行了研究，并分析了履帶與臺(tái)階接觸的作用，分析了助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的數(shù)值仿真，根據(jù)分析結(jié)果證明了輪履協(xié)同的方式具有更加良好的攀爬能力，說(shuō)明助老助殘輪履協(xié)同平臺(tái)具有一定的實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】輪履協(xié)同;助老助殘;數(shù)值仿真

【中圖分類號(hào)】TP23 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）12-0064-02

輪履式移動(dòng)平臺(tái)有輪履復(fù)合式及輪履變結(jié)構(gòu)。后者移動(dòng)平臺(tái)輪履采用整體設(shè)計(jì)，輪履的轉(zhuǎn)換會(huì)相對(duì)較慢，所以選擇彈性履帶。由于輪履式移動(dòng)平臺(tái)對(duì)于履具有非常高的要求，在使用的過(guò)程中，履帶與地面會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)間的接觸，所以履帶會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損;而輪履復(fù)合移動(dòng)平臺(tái)采用的是分開(kāi)設(shè)計(jì)輪和履的形式，所以輪履復(fù)合移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且在安裝與維護(hù)方面的速度和便捷性也更加良好，但是在攀爬的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)輪子不產(chǎn)生有效作用的情況。

1 移動(dòng)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)布局

1.1 總體結(jié)構(gòu)

助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)主要包含輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、履帶行走機(jī)構(gòu)、車(chē)架、輪式行走機(jī)構(gòu)等，其整體是呈現(xiàn)出左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，并且采用的是輪履分開(kāi)設(shè)計(jì)的方式，這種方式更加便于后期的安裝與維護(hù)[1]。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

移動(dòng)平臺(tái)輪式行走結(jié)構(gòu)采用的是四輪布置的方式，后輪為驅(qū)動(dòng)輪，前輪為萬(wàn)向輪，這種設(shè)置方式會(huì)更加容易實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的差速轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。由連桿組成的輪式行走的結(jié)構(gòu)，可以圍繞著輪腿鉸點(diǎn)進(jìn)行擺動(dòng)。用戶對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)具有不同的需求與不同路況，需要采用不同的行走方式，所以要求輪履的轉(zhuǎn)換更加方便[2]。

履帶行走結(jié)構(gòu)是根據(jù)用戶對(duì)于攀爬臺(tái)階及樓梯的需求，主要是四履帶雙擺臂的結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩擺臂履帶動(dòng)軸，然后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并且還能夠圍繞主履帶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。此外，基于用戶的需求的考慮，還減小了質(zhì)心波動(dòng)。因?yàn)橄鹉z履帶的減振效果非常好，所以履帶結(jié)構(gòu)使用橡膠履帶是效果最好的。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為內(nèi)履帶齒與驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)嚙合傳動(dòng)的方式，但是履帶棱與地面之間的摩擦力需要進(jìn)行加大。

1.2 傳動(dòng)布局

移動(dòng)平臺(tái)需要7個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而履帶行走結(jié)構(gòu)則主要采用的是兩側(cè)主履帶單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的方式，這樣在行走過(guò)程中可以使履帶實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向移動(dòng)。此外，為了兩擺臂的擺角能夠?qū)崿F(xiàn)一致性，需要擺臂履帶同軸驅(qū)動(dòng)。

移動(dòng)平臺(tái)輪式行走機(jī)構(gòu)主要是兩驅(qū)動(dòng)輪單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，這種方式會(huì)使得移動(dòng)平臺(tái)輪式行走向差速轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換更加方便快捷。除此之外，考慮到移動(dòng)平臺(tái)自鎖及移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸在攀爬臺(tái)階及樓梯等障礙過(guò)程中的問(wèn)題，履帶行走機(jī)構(gòu)中的全部驅(qū)動(dòng)都是采用蝸輪蝸桿直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式[3]。

2 輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究中有一個(gè)重難點(diǎn)問(wèn)題，那就是輪式行走姿態(tài)要如何實(shí)現(xiàn)快速地轉(zhuǎn)換向履帶行走姿態(tài)，因此，助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)中的核心機(jī)構(gòu)對(duì)于輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)有了很好的證明。

由平面四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形之后能夠獲得移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。因?yàn)槠矫嫠倪B桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且運(yùn)動(dòng)方面十分靈活，所以可以通過(guò)平面四連桿機(jī)構(gòu)使輪式行走快速實(shí)現(xiàn)向履帶行走的轉(zhuǎn)換。此外，轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的部件很多，其中的腿桿、拉桿、車(chē)架、推桿之間相互進(jìn)行鉸接之后，可以構(gòu)成平面四連桿機(jī)構(gòu)。

2.2 工作原理

在向履帶行走姿進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，輪式行走姿態(tài)的轉(zhuǎn)換絲杠步進(jìn)電機(jī)會(huì)推動(dòng)推桿進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)利用擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)可以將平面四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形。然后在腳桿的帶動(dòng)下車(chē)架下沉。轉(zhuǎn)換絲杠步進(jìn)電機(jī)則利用推桿繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到車(chē)輪與地面之間形成抬高的動(dòng)作。這樣就可以使移動(dòng)平臺(tái)輪式的行走姿態(tài)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換向履帶行走姿態(tài)的過(guò)程。

當(dāng)車(chē)輪之間與地面具有一定高度時(shí)，可以單獨(dú)控制前后輪腿的擺動(dòng)角度，因此需要根據(jù)具體情況調(diào)整車(chē)輪與地面之間的距離。在輪式行走的過(guò)程中，擺臂履帶呈現(xiàn)的是收回的狀態(tài);而履帶行走姿態(tài)下的擺臂履帶是能夠前伸的，并且擺臂履帶與主履帶能夠形成前攻角，從而使得履帶的攀爬能力提高[4]。

3 數(shù)值仿真分析

為了對(duì)輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)攀爬臺(tái)階及樓梯的性能進(jìn)行更層次的探討，采用數(shù)值仿真分析的方法，查看助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)攀爬方式的具體數(shù)值[5]。移動(dòng)平臺(tái)主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

4 總結(jié)

綜上所述，隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，傳統(tǒng)的助老助殘輪履復(fù)合移動(dòng)平臺(tái)輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)漸漸地顯現(xiàn)出許多的缺點(diǎn)。例如，在臺(tái)階和樓梯的攀爬過(guò)程中，輪履之間無(wú)法良好協(xié)同、工作效率低等。因此，本文基于此提出了助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)。首先對(duì)履帶與樓梯踏步接觸的作用進(jìn)行了分析;其次提出了移動(dòng)平臺(tái)在攀爬過(guò)程中不產(chǎn)生滑移的條件，并以此作為移動(dòng)平臺(tái)在攀爬過(guò)程中的前提;最后進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，根據(jù)數(shù)據(jù)可以得知研究中提出的助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)輪履協(xié)同運(yùn)動(dòng)，并且攀爬能力更好。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李海泓.輪履變結(jié)構(gòu)反恐機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]田海波，馬宏偉，張一澍，等.輪履復(fù)合式機(jī)器人設(shè)計(jì)及其可包容地形分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2014（9）.

[4]田海波，方宗德，楊坤，等.輪腿式機(jī)器人設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2010（6）.