球齿轮型轮腿复合移动系统越障运动学分析

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1、第25卷第3期机械设计与研究V01．25No．32009年6月MachineDesignandResearchJun．，2009文章编号：1006—2343(2009)034)14-05球齿轮型轮腿复合移动系统越障运动学分析李明字，潘存云，张立杰(国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙410073，E—mail：limingyu19800410@163．com)摘要：针对一种基于球齿轮的轮腿复合移动系统，提出了跨越台阶障碍的基本运动策略，将跨越台阶障碍过程分为搭接、攀爬两个阶段，分别给出了运动方式，推导了相应的运动学公式，并利用计算机数值仿

2、真的方式，对系统跨越台阶障碍的运动进行了模拟，计算出了运动过程参数，验证了运动策略，为系统全地形运动模型的建立提供了依据，也为对系统后续的动力学和运动规划的研究与仿真打下了一定的理论基础。关键词：轮腿复合；球齿轮；越障中图分类号：TH112；TH132．413文献标识码：AObstacleNegotiatingAnalysisofMiniatureWheel-LeggedMobileSystemBasedOnSphericalGearLIMing—yu，PANCun-yun，ZHANGLi-jie(SchoolofMechatronicsE

3、ngineeringandAutomation，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China)Abstract：Astrategyispresentedaimatthewheel—leggedmobilesystembasedOiltheringinvolutesphericalgearstructure．ItsplitstheObstacleNegotiatingintotowprocess，joinandclimb．Each’Smotionmodeandformul

4、aispresented．Thewholeprocessissimulatedbycomputersimulationtechnologyandvirtualprototypingtechnology．Theresultslaytheproofforsystemall—terrainmovingmodelandthemathematicalfoundationofreaearchondynamicalandpathplanninganalysisandsimulation．Keywords：wheel—legged；sphericalgea

5、r；obstaclenegotiating与单独的轮式或腿式移动系统相比，轮腿复合移动系统具有高速高效，地形适应能力强的优点。因此，对轮腿复合移动系统的研究，不仅具有重要的理论和科学研究意义，而且在进行复杂地形下的探测活动中具有广泛的应用前景。目前已有的轮腿复合移动系统结构形式各不相同。华一一特森工程与应用科学学院的Kydonas_l提出了带有伸缩轮腿(沿竖直方向伸缩，末端安装轮子)和辅助手(可辅助运动，(a)正常姿态(b)轮腿偏转姿态也可用于抓取物体)的移动系统；JPL推出的Go—For_2采用▲图1轮腿复合移动系统模型定点旋转的轮腿，可

6、以在倾覆情况下恢复到正常状态；To—hoku大学开发了轮腿式机器人ChariotII，除此以外，还有系统采用了对称结构，由四个完全相同的运动单元与车多家研究机构提出了各自的轮腿复合移动系统模型。身组合而成。每个运动单元包括一个驱动基座机构和一个下面所讨论的轮腿复合移动系统，采用串联渐开线球齿轮腿机构，其中驱动基座不但完成对轮腿机构的驱动，而且轮机构作为系统轮腿，各轮腿单独控制，可在不同空间姿还起到了连接车体和轮腿的作用。如图1a为系统的正常姿态下在轮腿末端输出旋转，具有较强的越障能力，可以跨越态，此时各轮腿保持初始姿态，不发生偏转，系统运动

7、与普通高度超过轮心的障碍物，文中主要对该系统的越障运动过程轮式车辆相同；而在图1b中，轮腿发生偏转，可以完成特定进行了研究。地形条件下的运动。1机构组成与模型分析系统轮腿采用两对渐开线球齿轮机构串联而成，如图2。渐开线球齿轮是将一对渐开线齿廓在特定啮合位置时围绕1．1系统结构其连心线旋转一周所得，将其分别安转在一对相连的双自由系统整体分为车身、驱动基座和轮腿三部分，图1所示度万向框架上，即可实现绕两球齿轮球心旋转的定传动比球为系统设计模型图。面运动。固定其中一个球齿轮，将安装在其上的万向框架收稿日期：2008—11—20作为运动输入，控制其

8、姿态，即可达到控制另一球齿轮轴线基金项目：国家自然科学基金资助项目(50475058)。偏摆方向的目的。在本文系统中，采用两对共四个球齿轮，第3期李明字等：球齿轮型轮腿复合移动系