行星式欠驱动可变形履带移动机构的设计与分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.148

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (4): 474-487 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.148

机器人与机构设计

行星式欠驱动可变形履带移动机构的设计与分析

张娜¹(

),荀致远²,姚燕安³(

)

^1.北京科技职业大学航空工程学院，北京 100176
^2.暨南大学信息科学技术学院，广东广州 510632
^3.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044

Design and analysis of planetary underactuated transformable tracked mobile mechanism

Na ZHANG¹(

),Zhiyuan XUN²,Yan'an YAO³(

)

^1.School of Aeronautical Engineering, Beijing Polytechnic University, Beijing 100176, China
^2.College of Information Science and Technology, Jinan University, Guangzhou 510632, China
^3.School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China

全文: PDF(5264 KB) HTML

摘要：

为提高传统履带移动机构的越障能力和环境适应能力，提出了一种行星式欠驱动可变形履带移动机构，其由履带驱动轮系和行星轮系构成，具有直臂模式、正交模式和过渡模式三种运动模式。该履带移动机构采用欠驱动方式，根据最小耗能原理实现快速响应的越障功能。首先，对履带移动机构进行运动学分析，得到了3种运动模式下履带移动机构的质心高度、接地面积与履带变形的关系，并分析了其适用环境。然后，建立了履带移动机构的动力学理论模型并计算了其可跨越的最大沟槽宽度和可翻越的最大凸台高度，同时分析了履带移动机构变形与越障所需驱动扭矩之间的关系。接着，基于履带移动机构的动力学仿真模型开展越障仿真分析，得到了其越障仿真过程及驱动扭矩变化曲线。最后，搭建了履带移动机构的原理样机并开展了相关实验，验证了其结构设计的可行性。结果表明，所设计的行星式欠驱动可变形履带移动机构可通过控制自身变形实现快速越障和适应复杂地形的功能，显著提高了履带移动机构的越障能力和环境适应能力。

关键词： 履带移动机构; 欠驱动; 履带变形; 最小耗能原理

Abstract:

To enhance the obstacle-crossing ability and environmental adaptability of conventional tracked mobile mechanisms, a planetary underactuated transformable tracked mobile mechanism is proposed, which is composed of a tracked driving wheel train and a planetary gear train, and has three motion modes: straight arm mode, orthogonal mode and transition mode. This tracked mobile mechanism adopts underactuated pattern, and realizes rapid obstacle-crossing response based on the least energy consumption principle. Firstly, the kinematics analysis was conducted on the tracked mobile mechanism. The relationships among center-of-mass height, ground contact area and track deformation under three motion modes were obtained, and its applicable environment was analyzed. Then, a dynamics theoretical model of the tracked mobile mechanism was established, and its maximum trench-crossing width and maximum protrusion-surmounting height were calculated. Meanwhile, the relationship between the deformation of the tracked mobile mechanism and the driving torque required for obstacle crossing was analyzed. Next, based on the dynamics simulation model of the tracked mobile mechanism, the obstacle-crossing simulation analysis was carried out, and the obstacle-crossing simulation process and the driving torque variation curve were obtained. Finally, a principal prototype of the tracked mobile mechanism was built and relevant experiments were carried out to verify the feasibility of its structural design. The results show that the designed planetary underactuated transformable tracked mobile mechanism can achieve the functions of rapid obstacle-crossing and adaptation to complex terrains by controlling its own deformation, significantly improving the obstacle-crossing ability and environmental adaptability of the tracked mobile mechanisms.

Key words: tracked mobile mechanism underactuated track deformation least energy consumption principle

收稿日期: 2024-06-11 出版日期: 2025-09-01

CLC:

TH 112

通讯作者: 姚燕安 E-mail: znizn@sina.com;yayao@bjtu.edu.cn

作者简介: 张娜（1976—），女，副教授，硕士，从事机械设计与制造研究，E-mail: znizn@sina.com，https://orcid.org/0009-0001-6565-406X

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引用本文:

张娜,荀致远,姚燕安. 行星式欠驱动可变形履带移动机构的设计与分析[J]. 工程设计学报, 2025, 32(4): 474-487.

Na ZHANG,Zhiyuan XUN,Yan'an YAO. Design and analysis of planetary underactuated transformable tracked mobile mechanism[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(4): 474-487.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.148 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I4/474

图1 行星履带式整车模型

图2 行星式欠驱动可变形履带移动机构的构型1—从动轮；2—弹簧；3—侧板；4—主动轮；5—行星杆；6—同步带；7—行星轮；8—行星从动轮；9—履带；10—从动轴；11—行走驱动轴；12—行星轴；13—变形驱动轴；14—行星主动轮。

图3 履带移动机构运动模式示意

图4 过渡模式履带移动机构结构简图

表1 履带移动机构的尺寸参数及算例值

图5 直臂模式履带移动机构结构简图

图6 正交模式履带移动机构结构简图

图7 履带移动机构的质心高度和接地面积与行星杆转角的关系

图8 直臂模式履带移动机构受力示意图

图9 直臂模式履带移动机构跨越沟槽过程示意图

图10 正交模式履带移动机构翻越凸台过程示意图

图11 过渡模式履带移动机构跨越沟槽过程示意图

图12 过渡模式履带移动机构翻越凸台过程示意图

参数名称	参数符号	算例值
电机输出扭矩/(N·m)	M
履带移动机构翻转扭矩/(N·m)	M'
单个履带移动机构承受的重力/N	G	75
车体前后轴距/mm	l₁	292
凸台高度/mm	H
沟槽宽度/mm	L
行星轮传动比	i	0.636
车体对履带移动机构的推力/N	F_j (j=1, 2, 3)
履带与地面和障碍物的摩擦系数	μ₁、μ₂	0.7
行星轮B处履带受地面的支持力/N	N_j
从动轮C处履带受地面的支持力/N	N_j ′
履带受障碍物的支持力/N	N_j ″
行星轮D处履带受障碍物的支持力/N	N_j ′″
履带受地面的摩擦力/N	R_j ′
履带受障碍物的摩擦力/N	R_j ″、R_j ′″
履带对地面的牵引力/N	F_f_j ′
履带对障碍物的牵引力/N	F_f_j ″、F_f_j ′″
履带模块的转动惯量/(kg·m²)	J
侧板夹角（侧板与地面夹角）/(°)	$λ$
行星杆夹角（行星杆与水平面夹角）/(°)	λ′
N_j ′与水平面夹角/(°)	φ
N_j ′″与水平面夹角/(°)	τ

表2 履带移动机构的运动参数及算例值

图13 直臂模式履带移动机构跨越沟槽时的受力分析

图14 直臂模式履带移动机构跨越沟槽时所需的驱动扭矩与侧板夹角的关系

图15 正交模式履带移动机构翻越凸台第一阶段的受力分析

图16 正交模式履带移动机构翻越凸台第一阶段所需的驱动扭矩与侧板夹角的关系

图17 正交模式履带移动机构翻越凸台第二阶段的受力分析

图18 正交模式履带移动机构翻越凸台第二阶段所需的驱动扭矩与行星杆夹角的关系

图19 过渡模式履带移动机构跨越沟槽分析简图

图20 过渡模式履带移动机构翻越凸台分析简图

图21 过渡模式履带移动机构越障宽度/高度与行星杆转角的关系

图22 直臂模式履带移动机构跨越沟槽仿真过程

图23 直臂模式履带移动机构跨越沟槽时的驱动扭矩

图24 正交模式履带移动机构翻越凸台仿真过程

图25 正交模式履带移动机构翻越凸台时的驱动扭矩

图26 过渡模式履带移动机构跨越沟槽仿真过程

图27 过渡模式履带移动机构翻越凸台仿真过程

图28 过渡模式履带移动机构越障时的驱动扭矩

图29 直臂模式履带移动机构跨越沟槽实验

图30 正交模式履带移动机构翻越凸台实验

图31 过渡模式履带移动机构翻越凸台实验

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