复杂地形下物体快速机动行进的原理与方法龙门刨铣床

复杂地形下物体快速机动行进的原理与方法

复杂地形下物体快速机动行进的原理与方法 2011： 　　编者按：孟宪伟同志的“复杂地形下物体快速机动行进的原理与方法”文章。从分析常见的接触型地面移动方式入手，讨论了在复杂地形下物体快速行进的可能性与理论特征，提出了一种新型车轮结构，即变辐车轮。　　编者认为变辐车轮的结构设计复杂，制造成本高，一时难以实现，是否有这种特殊场合的特殊需求，也较难说清，但在迎接知识经济到来的今天。该文体现了一种创新思维，这是十分可贵的。因此，为丰富本刊内容特色，决定予以发表，愿能让广大读者，从中得到一点启迪。　　　　一般来说，采用肢体与地面相接触的生物移动方式有蠕动、爬行、步行和跳跃等几种，此外，人类还发明了轮式、履带式等机械行进方式，总观所有这些接触型的地面移动方式，我们可以把它们归结为三大类，即步行类、滚动类和弹跳类。其中步行类的特征是以机体的特定部位交替接触地面，通过改变这些部位的相对距离使整体不断前进，如上述的蠕动、爬行、步行等；滚动类的特征是以机体或其局部作为滚动体，借助滚动体与地面间的滚动摩擦获得前进的动力，如上述的轮式行进、履带式行进和特定情况下滚动前进的生物等；弹跳类的特征是依靠瞬间的爆发力使机体向斜上方完全腾空，在重新落回地面的短暂时间里在水平方向上越过一段距离，对于某些昆虫和高等动物来说，这也是一种经常采用的移动方式。　　这三类移动方式各有其优点和缺点，下面侧重技术实施的角度探讨一下哪种方式更适合于物体在复杂地形下的快速机动行进。　　我们这里所说的复杂地形，指的是室外尤其是野外对于人而言基本上无需攀援和跳跃即可向任意方向直线前进的地形，其中直立型障碍的垂直落差小于1 m，非耐压型障碍的驶向跨度小于1 m，大面积斜坡的倾角小于45°，倾斜方向随意。这几种地形可以纵横交错，但要求地表的属性简单明显，坍塌、下陷、滑动、粘连等的程度轻微，从而保证机器视觉能够迅速准确地测算相对高度和安全可靠地选择落脚点。　　在三种移动方式中首先要排除弹跳类，因为我们知道，采用这种方式行进的动物，比如袋鼠，有着巨大的能量消耗，另外，弹跳过程还要求有相当高超的生物协调性。　　接下来要说明的是单纯的步行类和滚动类都不利于在复杂地形下快速机动行进，步行类灵活而强大的适应性和越障能力是有目共睹的，步行机器人的研制工作也正是因此而蓬勃展开，但由于它涉及很多尚不完备的高科技内容，所以目前很难走向实用。即使将来我们能够制造出象人或牛马一样动作协调的步行机器人，参照后文可以看出，它随着障碍的起伏走上走下，其机动行进的直线速度也不会很快。另外，它的有效载荷较小，在平直道路上的常规行进速度也不够理想。至于滚动类中的普通车轮，它在0.1 m左右的障碍地形中就已经进退不由，离开道路基本上将丧失行进能力。因此就技术成熟度和综合行驶性能来讲，履带式车辆可以说是目前表现最好的了。　　一般来说，应付复杂情况的方案有两类：一是以不变应万变，用较大的损耗和粗笨的方式笼统地对待各种情况。二是随机应变的智能化，以较小的损耗和精细的测算有针对性地进行处理。履带式车辆体现了前一个方案的特征，而后一种情况无疑具有更高的效率和适应性，也正是生物进化和技术发展的目标。所以无庸置疑，我们所要寻找的那种功能强大，足以应付各种情况而又最为理想的机械行进装置必将具有复杂的结构和高度的应变能力，那么除此之外，在理论上还有哪些要求呢？　　从做功和能量的角度分析，圆轮结构之所以可以在平直道路上高速滚动而在起伏地形下就行驶困难，是因为这时地面的相对凸起会导致轮心抬高，最终归结为车辆的重心抬高，从而使车辆被迫消耗动能来克服重力势能做功的缘故。当然，在车辆起迄两点间的海拔高度不同的情况下基本的势能改变是不可避免的，但是由于损耗的存在，这种能量转化是一个不可逆的过程，所以任何一个驾驶员都不会希望在行车途中不断地上下起伏。　　从运动学和动力学的角度分析，我们更容易发现问题。纵观所有能够高速运动的物体，如火车、汽艇，飞机、导弹等，它们的重心无一例外地需要在途经的空间描绘出一条曲率极小，相当光滑的轨迹曲线。也正因为如此，它们的推动力才能够持久稳定地发挥作用，从而有效地避免过分的摇摆起伏对装置和载荷可能造成的严重后果。　　综上所述，我们预期得到的装置已经有了越发清晰的轮廓：该装置需要具有这样一种结构，它位于地面和装置主体之间，可以传递支持力和驱动力，并且在地面有起伏的时候，这种结构能够灵活主动地从中调节，从而使装置的主体平滑移动。也就是说，它要具有快速有效的高度补偿能力，在相对凹陷或凸起的地方可以通过调节自身的高度“过滤”掉地面的起伏，使之不至影响装置主体的平稳性。此外，考虑到滚动类的圆轮结构在平直道路上有着最佳的行驶效果，所以这种结构在需要的时侯应该相当容易地变成圆轮状。　　正是遵循这一思路，笔者设计了

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