一種可變形履帶式全地形移動小車裝置設計

關鍵詞：變形履帶；連桿調節；全地形；越障；驅動桿中圖分類號： 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）20-0134-04

Abstract：Aimingattherequirementthat existing trackedmobilerobots nedtoadapttodrivinginmanykindsof complex environments，thisdevicedesignsatrollythatrealizesall-terrainmovementbyusingdeformabletracks，andrealizesthe corespondingshapeadjustmentofthetracksindiffrentterrainsbyautonomouslyjudgingthecharacteristicsoftheenvironment inwhichitislocatedandoutputingtorquetorealizethecordinatedrotationofthedrivebarandguidebar.Thevehiclehas four diferent traveling modes，which has good multi-terrain adaptability and wide application significance.

Keywords： deformed track;connecting rod adjustment； all-terrain;obstacle surmounting; driving rod

根據工業和信息化部等十五部門發布的《“十四五\"機器人產業發展規劃》中指出，當前新一輪科技革命和產業變革加速演進，世界主要工業發達國家均將機器人作為搶占科技產業競爭的前沿和焦點，機器人產業迎來升級換代、跨越發展的窗口期。近年來，隨著我國智能化、應急化裝備水平的提高，應用智能化的機器人在救災搶險、空間探索、災害救援、偵察和監視之中，已經成為一種主流的發展趨勢。

履帶式機器人作為一種靈活性強、機動性高的機器人，根據履帶機構是否能夠變換可以分為固定履帶式機器人和可變形履帶式機器人。固定履帶式機器人的固定性、負載能力和穩定性較強，但其對復雜地形的適應性不如可變形式履帶機器人，難以跨越障礙物；可變形履帶式機器人的重量較輕，靈活性高、可以根據不同的地形準確地靈活調整履帶形狀，更加適應復雜環境，在保持穩定性的同時，能夠進行更加靈活的轉向和移動。

基于此，本文提出了一種基于倒梯形履帶結構的可變形履帶式全地形移動小車裝置設計方法，通過連桿配合轉動實現履帶形態變換，使其具有良好的多地形適應性。

1裝置主體設計

1.1裝置主體結構

本裝置采用AT89C51控制器作為小車控制的核心，配備有相關傳感器，如CMOS攝像頭、陀螺儀和激光雷達等，用于實時檢測外部環境與小車的主體姿態、速度和距離，將小車的狀態實時反饋給主控制器。采用一塊 鋰電池作為小車的供電裝置，能夠滿足小車正常運行需求。車身主體采用Q345低合金高強度鋼材料，履帶采用掛膠式履帶以適應可能具有碎石和尖銳突出物的復雜環境。

1.2裝置檢測工作流程

小車外設的CMOS攝像頭能夠拍攝周圍環境特征，同時利用激光雷達不斷發射接收光線束，結合攝像頭拍攝的二維圖像特征，通過優化后的高斯濾波算法與Canny邊緣檢測算法，在二維圖像中首先通過捕捉相機拍攝圖像中的特征點情況，跟蹤相鄰圖像中的位置，比較點移動情況，從而計算小車相關移動距離。此時再將激光雷達掃描得到的點云數據投影到攝像頭返回的二維平面圖像平面上，生成與圖像對應的稀疏深度圖片。接著利用深度插值算法，對得到的稀疏深度圖進行采樣，以獲得與單目圖像分辨率相匹配的密集深度圖，利用點云恢復算法、統計濾波方法將輸入關鍵幀的2D像素坐標轉換為3D點云坐標，能有效提高相關的定位精度、障礙物邊緣計算準確度與最終的三維地圖構建質量，流程如圖1所示。

通過以上步驟，在分析計算模塊內建構出小車行駛周圍環境的三維特征（特別是所遇障礙物的相關特征情況），計算所遇障礙物相關高度情況并同時確認小車所處環境，以確定小車工作模式，通過內置算法計算驅動桿旋轉角度與小車此時對應的相關前進速度，此時利用陀螺儀感知驅動桿在電機驅動下的轉動角速度，驅動桿配合導桿轉動，履帶松緊裝置同步調節，進行履帶4種工作模式下面的形狀變換。通過加速度計測量此時小車的加速度，內部運行相關的積分解算算法，進行反饋調節，對小車的前進速度進行相應的控制，配合相應的變換履帶工作情況，實現小車對于不同地形的不同工作模式調節運行。

不斷重復以上過程，本裝置能夠調整自身不同的工作模式以充分適應不同的地形條件，裝置建模結構圖如圖2所示。

1.3裝置機械結構設計

本裝置主要由外部履帶，張緊組件，驅動桿，導桿，拖帶輪，承重輪，張緊輪與彈簧減震組件結構組成。其中前后拖帶輪和4個承重輪分別位于履帶內部下方，前后拖帶輪位于承重輪兩端，4個所述承重輪轉動安裝在橫向支架上，前輪和拖帶輪2分別安裝在履帶的上下兩端，后輪和拖帶輪1連接方式同上。

內部安裝有2個驅動前后驅動桿1轉動的電機與一個驅動前輪（主動輪）轉動的電機。

變形履帶的連桿機械結構如圖3（a）所示，內部控制裝置如圖3（b）所示。

根據不同的復雜路面情況，移動小車的特殊行駛模式有4種，分別為越障模式，上下坡模式、穿越狹洞模式與越槽模式。

1.3.1 越障模式的主要工作情況

如圖4所示，在越障過程中，第一階段，首先機器車通過相關的攝像頭拍攝二維圖像再結合激光雷達發射和接收相關光線，分析計算得出此時小車所需的前輪抬起高度，發送指令驅動前驅動桿1逆時針轉動過一個角度，帶動前驅動桿2、導桿1同樣逆時針旋轉過相關角度，此時張緊輪進行適當的履帶放松調節，前輪上抬，拖帶輪2沿著履帶斜向上移動，從而使得前端履帶與平地夾角增大。此時，電機驅動前輪轉速同步增大，提供更大的轉動力矩，幫助機器車前端登上障礙物的前端。

第二階段，前端輪成功登上之后，激光雷達掃描前方障礙物情況，將其發送給分析模塊計算障礙物離機器車的距離，當檢測到后輪與目前障礙物的距離小于設定的最小距離時，發送反饋信號給控制系統，控制系統隨后輸出一個相應信號調控后驅動桿1，帶動后驅動桿2、導桿2逆時針轉動相關角度，牽動后輪和拖帶輪1緩慢下擺，此時轉動的角度要小于前輪逆時針轉動角度。履帶在此時張緊，不會發生脫帶現象，張緊履帶，同時由于后輪下擺，重心偏移，對障礙物的下壓力增加，能夠提高與此時登上的傾斜著的障礙物之間的摩擦力，通過一、二階段，該機器車完成了使自身主體部分位于障礙物之上這一主要步驟。

第三階段，機器車保持一定的輸出功率在障礙物上平穩行駛，依靠主要由彈簧阻尼器組成的懸掛式減震系統減少振動，同時依靠履帶張緊機構調節松緊度，不斷重復一、二階段過程，能夠使得機器車在凹凸不平的障礙物上面快速行駛。

第四階段，當檢測到機器車登上較為平坦的地形區時，驅動前驅動桿1順時針下擺轉回原先角度，之后，后驅動桿1帶動后輪重新順時針上抬回原先角度，履帶恢復原有形狀，完成整個越障的過程。

在翻下障礙物的階段，通過內部減速器對前輪的減速調控作用使得整個機器車平穩下行。

根據整個機器車的受力情況和相關的路面行駛情況，可以擬合相關公式，得到驅動輪的驅動力矩表示為

式（1）至式（3）中： M_E 為驅動輪驅動力矩， N?m;F_Ni 是第 i 個作用在驅動輪上的法向力，包括履帶和地面、障礙物之間相互作用等， N_;r3 為驅動輪的有效半徑， m Q_α1，Q_β1 為使前驅動桿1、后驅動桿1轉動的主動力矩，N?m;M_Tpj 為作用在前驅動桿1上的阻力矩， N?_m;MGB1 為作用在前驅動桿1上的重力阻力力矩， N?m;M_Fv×1 為作用在后驅動桿1上的阻力矩， N?m;M_GCl 為作用在后驅動桿1上的重力阻力力矩， N?_m;MB 為前擺臂的轉動力矩， N?_m;Mc 為后擺臂的轉動力矩， N?m 。

通過以上公式，可以對機器車在行駛過程中涉及的驅動力矩進行對應計算，該力矩的大小取決于車身自重與實際行駛過程中擺臂的擺動情況以及負載大小。

1.3.2上下坡模式的主要工作情況

感知到小車處于上下坡情況，此時履帶的形狀調節桿不對履帶進行調節，履帶保持原有的倒梯形結構向前行駛上坡。在上坡過程中，電機輸出較大的驅動力矩使其完成上坡過程。在下坡過程中，減速器進行一定的調節，控制整個車的下行速度，保持小車以穩速行駛。

1.3.3 穿越狹洞模式的主要工作情況

小車識別外部狹洞高度后，首先進行判斷，若高于小車原有高度，小車車身不進行任何調節。若低于小車可以通行的最低高度（小車變為直線型的高度），履帶松緊裝置進行調節使履帶變松，接著電機驅動前驅動桿1和后驅動桿1分別順時針和逆時針旋轉，使得桿牽動前后主輪向地面方向轉動，在前后驅動桿的推動作用下，拖帶輪1和2分別沿履帶向中間移動，導桿1和2同時下擺，其起牽引作用，由于輪在同時往下轉動，履帶變緊，最后再通過履帶松緊裝置進行調節使履帶變松至正常工作水平，完成履帶由倒梯型變為直線型的操作，經過相關仿真測算，小車原有高度（為倒梯型時）為 400mm ，小車的直線型高度為 280mm ，使得小車可以進入高度大于280mm 的狹道，如圖5所示。

1.3.4越過溝槽的主要工作情況

根據相關研究表明，機器車越過溝槽的能力不僅與履帶的形狀變換、電機的輸出功率大小有關，還與機器車的本身大小有關。本裝置長度為 1200mm ，寬度為 450mm ，前后驅動輪直徑均為 300mm 。

當判斷前方的溝槽距離小于可越過最大長度時，機器車首先保持原形繼續向前行駛，如若此時出現重心失衡卡進溝里的情況，電機輸出轉矩使得前驅動桿1逆時針向上轉動，牽動前驅動桿2逆時針轉動，帶動前輪上抬，拖帶輪沿履帶上移，同時電機驅動前輪增大轉速，加速度形成向前的推力并給邊緣一個下壓力，根據反作用原理，邊緣會給機器車一個上抬的作用力，幫助機器車駛出溝槽。而如果判斷出前方的溝槽距離大于小車所能跨越的最大距離，則避開該溝槽，轉向尋找新的道路，如圖6所示。

根據公式（4）和小車的相關設計參數計算，可變形履帶車能夠跨越的溝槽的最大距離為 650mm 。

L=D+d+hcosα，

式中： L 為溝槽的最大長度， mm;D 為主輪的直徑，mm;d 為重心的移動距離， mm;h 為前驅動桿1的垂直轉動距離， mm;α 為前驅動桿2轉動的角度大小，°。

2 結束語

本裝置是一種可變形履帶式全地形移動小車，針對相關的復雜地形條件要求，設計通過驅動桿和導桿的配合轉動實現履帶的形狀變換方法，對相關的履帶形狀變換運動過程進行分析和設計，給出了小車的4種不同運動模式。該移動小車對于應用在災難救援、空間探索、環境檢測和物料配送等領域具有廣泛意義。

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