摘要：针对复杂路面的特点，综合履带与轮式车辆各自的运动特点与优势，设计了一种适应复杂路面的轮履耦合式车轮，它可被广泛用于军事领域、自然灾害、反恐防暴和作战等。这种车轮通过齿轮与机械臂驱动连杆机构变形，保证了结构的稳定性，同时安装可伸缩履带结构来实现履带周长的变化，使其具有良好的变形能力，从而实现轮式向履带式的转换，并对变形机构建立仿真模型以及车轮的变形过程进行仿真分析。这种轮履耦合式车轮的设计不仅满足了复杂路面行驶的需求，而且提升了车辆的灵活性和多地形适应能力，对于提高各类任务执行效率和安全性具有重要意义。尤其在泥沼、深沙、雪地，山地等复杂路面具有较高的通过性也同时兼备着较好的运动稳定性，且在不同地形下有着良好的灵活切换能力。

　　关键词：履带车辆；轮履复合；复杂环境；模式切换；高机动

　　0引言

　　履带车辆作为重型车辆，常用于军事和工程领域，具有良好的通过性和承载能力[1]。然而，在某些特殊的工况下，例如斜坡行驶、软地急转弯、山区公路相对狭窄等复杂路况，致使施工机械转场困难[2-3]。因此，轮履复合式机构越来越多被用于执行消防、救灾、地形侦查等危险任务。近年来，复合式机器人的研究取得了不少成果，苏黎世联邦理工学院的双轮足式机器人Ascento[4]借助LQR控制器实现平地动态平衡控制；四轮足式机器人ANYmal[5]利用模型预测控制（MPC）实现在陡峭的地面快速移动以及爬楼梯等复杂任务；加拿大谢布鲁克大学的AZIMUT[6]机器人能够适应复杂路面条件。国内研发出了多种能够实现变形的机器人如：中科院沈阳自动化研究所的“灵蜥”反恐防暴机器人[7]已经可充分发挥轮式、腿式、履带式等的某一种驱动机构又可利用多种驱动机构各自具有的特点。长安大学基于液压系统设计的轮履复合机器人[8]，河北工程大学的轮履复合巡检机器人[9]等在特定环境下具有一定的优势。

　　上述机器人均存在一些不足之处：Ascento采用腿式机构，虽然灵活但具有控制难度大的缺陷，特殊地形适应性差需要视觉辅助，跳跃式越障系统无法应对崎岖地形；ANYmal足式运动速度慢、运动效率低；AZIMUT机器人须投入较高资金对车辆进行改造。“灵蜥”等机器人在面对凸起的障碍、单侧障碍时表现的通过能力较差，另外滑动驱动轮所造成的能量损耗较大。此类机器人机构复杂，系统开发涉及多学科和多领域专家知识，研究成本较高，开发风险大。传统的变形结构设计复杂，不易扩展其他功能。

　　结合以上实例，本文所研究的轮履耦合式车轮，通过配置连杆伸缩机构使车辆能够在轮式与履带式相互转换降低了控制难度，并通过轮履切换解决了运动效率低的问题，目的在于打造一款适配于多种道路状况的实用型车轮。

　　1轮履耦合式车轮设计原理与技术

　　1.1设计原理

　　轮履耦合式车轮设计能够结合轮式驱动和履带驱动的优点，使其既能在平坦道路上实现高效、快速的行驶，又能在复杂的地形下展现出较好的通过性和稳定性。

　　在轮式状态下，高强度连杆收缩折叠，形成六边形结构，存放在圆形的外轮毂内部，履带此也时为收缩，通过轴承结构附于外轮毂表面，履带与传动机构直接连接，实现车轮在平坦路面上的快速滚动。当经过复杂的非铺装路面时，多连杆结构撑开，伸缩式履带也处于伸长状态，多连杆结构末端的滚轮与履带形成非传动连接，与此同时，履带与内部的机械结构的离合装置联合形成一个类似五边形的结构，同时底面中部略微突起，在爬坡时能够更好的增大与斜面的接触面积，使车辆能够稳定地通过复杂地形。

　　1.2设计技术

　　针对复杂地面约束的特点，结合履带车辆与轮式车辆各自的运动特点与优势，提出了一种由连杆机构伸缩以实现轮式与履带式相互转化的新型变形车轮结构方案。变形车轮由齿轮、传动带、机械臂、转动轴承变形框架、其他连接零件等以及外圈包覆的橡胶履带构成。根据不同的地面条件，可通过变形机构转换变形车轮的运动模式，从而提高车辆的越障性和环境适应性。该传动系统通过电机带动中心齿轮转动，进而带动齿轮1和齿轮2转动。首先电机做为动力来源。提供动力使中心齿轮转动。中心齿轮和齿轮1相啮合，带动齿轮1齿轮2转动。齿轮1与齿轮2之间由传动带相连接，齿轮1带动齿轮2转动。通过两齿轮的转动，实现机械臂的拉伸[10]。齿轮与机械臂驱动连杆机构变形的过程中，承重轮压靠内层履带，进行可伸缩履带的展开，履带的周长发生改变，从而实现轮式向类梯形以及类三角形履带模式的切换，如图1所示。

　　1.2.1轮式运动模式

　　由于变形车轮中3根导杆只参与摆动运动，所以3根连杆只是随动件，如图2所示。当变形车轮位于平坦路面时，车轮中的3根导杆与3根连杆抬起收缩，形成六边形结构，此时变形车轮完成纯轮式运动。此时变形车轮运动时阻力小、变速平稳、传动比大、承载能力大、消耗小并且拥有极强的机动性，可以完成需要长距离的高速运动等轮系所有的优点，在情况良好的路面上被广泛使用[11]。

　　1.2.2履带运动模式

　　当车轮遇到不平或崎岖路面时，电机带动中心齿轮转动，进而带动机械臂拉伸将履带撑开，车轮履带的两边逐渐与地面贴合，如图3所示，由于履带摆臂摆动中心转轴距地面的高度大于驱动车轮的半径，所以在履带与地面贴合时，底面中部略微突起，在爬坡时能够更好的增大与斜面的接触面积。此时，车轮逐渐脱离地面，车轮完全依赖履带进行移动。在履带运动模式下，车轮的履带与地面的接触面积大大增加，从而增强了其地形适应能力和越障能力[12]。

　　2结构设计

　　2.1中心轮毂

　　中心轮毂和传动轴之间相对固定，在传动轴两侧安装一对变形机构，在中心轮毂外沿及变形机构边缘贴紧可伸缩履带，其中变形机构和中心轮毂之间呈内切状态，两者不产生冲突关系。通过在中心轮毂外周设置均匀分布的齿廓，用于啮合可伸缩履带，能够保证内、外层履带与轮毂边缘接触一侧啮合，中心轮毂起到连接配合作用。当可伸缩履带向下撑开实现车轮的变形时，中心轮毂对其上、下部接触的履带具有支撑作用，可以更好的实现拉伸效果[13]。

　　2.2变形机构

　　变形总成的动力来源包括中空电机、中心轮毂和传动轴。中空电机作为动力源，中心轮毂和传动轴之间相对固定，两组变形总成设置在传动轴上，对称位于中心轮毂的两侧，变形总成与传动轴之间通过转动配合连接。

　　变形驱动连杆机构包括第一驱动杆、第二驱动杆、转动环以及承重轮等。其中第一驱动杆的一端与转动环固定连接，另一端与第二驱动杆铰接。转动环起到了传递动力和运动的作用。它固定连接着变形驱动连杆机构的一端，并通过旋转来带动第一驱动杆和第二驱动杆的移动[14]。一旦转动到位，转动环还负责锁定这些运动部件，确保可伸缩履带总成在需要时保持稳定。对于转动

　　5结束语

　　本文提出了一种应用于车辆的轮履耦合车轮，对现有的轮-履车轮进行结构设计和性能优化。通过研究设计一套机械臂连杆伸缩机构，来实现轮履耦合式车轮由轮胎模式到履带模式的切换，同时安装可伸缩履带，配合轮履耦合式车轮使其具有良好的变形性能，通过变形过程分析可以实现轮胎到履带模式的切换[19]。轮履耦合车轮在复杂地形中可以提供更好的稳定性，当车辆遇到如山区等特殊路面时，通过伸展履带提供更大的接地面积和牵引力，从而增强车辆的越障能力。变形机构总成使车辆可以在不同地形中自如切换，能够提高车辆的速度和灵活性，为车辆行驶提供更多的可能性和选择[20]。因此轮履耦合式车轮能够减少车辆在不平坦地面上的侧倾和打滑，保证车辆的行驶稳定性和安全性。

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