具有连续可变形抓地的环境适应型轨道机构

《Scientific Reports》：Environment-adaptive track mechanism with continuously transformable grousers

　　

摘要

本研究介绍了EATbot，这是一种具有环境自适应能力的履带机器人，它采用弧形履带装置，通过不断调节履带凸出程度及相应的接地形态来提升性能，而非改变整个履带的姿态。传统固定型履带不得不在履带几何结构之间做出取舍：低凸度履带能提升平地行驶的平稳性，而高凸度履带则更适用于复杂地形和楼梯边缘。为解决这一固定履带凸度带来的矛盾，该机器人采用了可在单个履带模块内从收缩的低凸度状态调整到最大凸度的高抓地力状态的弧形履带装置。研究还建立了运动学模型和基于虚功的扭矩计算公式，用以描述履带凸出行为以及不同负载条件下的驱动需求。在满足链条离散化、内部干涉、结构限制以及驱动器约束的前提下，弧形履带的设计旨在最大化其有效凸出程度；同时通过非共线结构设计，避免在连续变形过程中出现卡死现象。楼梯攀爬测试验证了该机器人所需的攀爬角度范围，结果显示其最高可攀爬的倾斜角度为\(48.85^\circ\)。在稳定性测试中，收缩状态可使平地上的振动幅度降低5.1%，而最大凸度状态则在复杂地形上将振动幅度降低87.9%。此外，40公斤的负载测试也证明了该机器人具备实际的高负载作业能力。这些结果表明，通过实现履带凸度的连续调节，可以在保持履带式移动连续接触特性的同时，克服平地行驶平稳性与复杂地形适用性之间的固有矛盾。