核环境被动摇臂-转向架六轮移动平台越障性能研究：基于车载传感器的分析

《Sensors》：Research on Obstacle-Crossing Performance of a Passive Rocker-Bogie Six-Wheel Mobile Platform for Nuclear Environments: Analysis Based on Onboard Sensors

　　

为解决核污染场地拆解机器人因频繁退回安全区更换末端执行器导致作业效率低的问题，研究人员开发并实验评估了一种用于在作业区附近提供末端执行器更换支持的六轮移动平台。在结构上，样机采用成熟的被动摇臂-转向架(rocker-bogie)悬架架构结合六轮独立驱动。本研究重点并非提出新的悬架拓扑结构，而是通过多体仿真与车载传感器测量，评估该重型核支持平台的工程可行性及驱动负载裕度。研究人员在ADAMS/Simulink中建立了包含摇臂关节、车轮转动副、执行器限制及轮地接触的约束多体模型，并在代表性核设施地形（包括20°坡道与250 mm垂直台阶）上对全尺寸样机进行了测试。结果表明样机完成了两项测试且实测电机扭矩均在允许驱动范围内。左右侧观测到的正负扭矩符号差异源于镜像电机安装与坐标定义，而非特殊的扭矩分配机制。本研究为辐射环境下的移动作业支持提供了结构选型与实验性能参考。

研究背景方面，移动机器人在核设施退役、灾后救援及空间探索等高风险环境中发挥着日益关键的作用，可替代人类在放射性或有毒区域执行复杂任务并提升作业效率与精度。在核退役拆解任务中，环境高度非结构化，存在散落碎片、废墟及各种障碍物，且机器人常需携带液压剪与抓取器等重型有效载荷并在不同作业阶段进行工具切换。然而当前作业模式高度依赖手动或半自动控制，受限于标准底盘的机动性能，机器人在崎岖原位地形上难以保持稳定姿态进行操作或换刀，迫使操作人员频繁干预或将设备移至平坦“安全区”换装，不仅降低效率还增加人员辐射暴露风险。传统履带底盘虽牵引力强，但在受限空间机动性差且易损坏地面；常规差速轮式或刚性悬架底盘难以通过结构顺应性补偿显著地形变化如台阶或陡坡，常导致车轮离地、打滑或倾覆，无法满足高精度作业稳定性要求。相比之下，集成独立驱动与被动摇臂-转向架(rocker-bogie)悬架机制的六轮移动平台因其地形适应性与承载潜力成为实用候选配置。尽管近期研究在推进摇臂式悬架越障分析与被动铰接移动机器人多体建模方面取得进展，但多数聚焦于行星或农业越野机器人、柔性摇臂机构或履带平台，未直接针对核退役支持的重型六轮被动摇臂-转向架平台，尤其是缺乏在爬坡与垂直台阶跨越条件下通过车载电机扭矩传感验证的研究。为此，研究人员设计测试了基于被动摇臂-转向架悬架系统、面向复杂核环境的六轮移动平台，重点评估其对重型核支持场景的适应性及多体仿真与车载扭矩测量间的一致性。

关键技术方法方面，研究人员采用ADAMS与Simulink联合仿真建立约束多体动力学模型，表征摇臂关节、车轮驱动转动副、执行器限值及轮地接触，轮胎简化为刚体忽略胎面变形，地形设为250 mm刚性台阶与20°斜坡，驱动端在Simulink构建闭环速度控制器并设扭矩限幅|_max=180 N·m及变化率限制。硬件上研制总质量280 kg、轮半径200 mm的全尺寸工程样机，搭载48 V锂电池，采用基于CAN总线（Controller Area Network）的分布式控制架构，集成每轮2500线增量光电编码器与驱动器内置高频霍尔电流传感器以1 kHz监测相电流并通过扭矩常数K_t转换为轮输出扭矩，底盘中心安装9轴MEMS惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)以100 Hz输出俯仰、横滚与三轴加速度。实验在250 mm木质台阶与20°混凝土坡进行，样机以0.2 m/s低速接近与跨越并记录全流程轮驱扭矩响应。

研究结果部分，首先在机电系统设计(Mechatronic System Design)中，研究人员针对核设施退役等受限空间、复杂障碍与不连续表面场景，确定垂直越障≥250 mm、爬坡≥20°、零半径差速转向、有效载荷≥180 kg的指标，采用六轮独立驱动(6WD)+被动摇臂悬架配置。机械结构为模块化设计含主底盘框架、六独立驱动单元与被动摇臂悬架， locomotion采用6×6差速转向，选半径200 mm宽截面越野充气轮胎以增大接触包络与吸振；被动摇臂机构摇臂枢轴设于底盘侧中部，前后轮装于摇臂端、后轮固定于底盘后部，通过摇臂绕枢轴被动旋转改善地形贴合与减少离地。机电与控制架构采用CAN 2.0B工业总线，六独立伺服驱动器并联，48 V/50 Ah锂电配电池管理系统(Battery Management System, BMS)，感知系统集成编码器、基于电流的扭矩传感及IMU，控制周期50 Hz同步发速指令与回收实际速度、实时电流、编码器脉冲数据。

其次在运动学与约束多体动力学建模(Kinematics and Constrained Multibody Dynamics Modeling)中，研究人员将平台建模为差速转向车辆，本体坐标系下横向速度约束为零，建立差分运动学关系描述纵向速度与偏航率同左右轮组等效速度的关系。多体动力学将车辆视为由被动摇臂关节与车轮转动副连接的刚体集合，以广义坐标q与完整关节约束Φ(q,t)=0描述，方程形式为M(q)q¨+Φ_q^Tλ=Q+Q_c，其中M为广义质量矩阵，Φ_q为约束雅可比，λ为拉格朗日乘子，Q含重力与电机驱动输入，Q_c含轮地及轮障接触摩擦。接触激活时由多体接触模型解算法向与切向分量，驱动扭矩τ_i施加于车轮转动副并受限幅，输出250 mm台阶跨越与20°爬坡的轮驱扭矩时程以与车载传感器数据比较验证轮载序列与驱动负载裕度。

再次在仿真与实验设置(Simulation and Experimental Setup)中，研究人员构建ADAMS-Simulink联合仿真环境，车体为280 kg刚体简化包络盒，三轮各设独立转动副，摇臂为连底盘与轮模块的被动转动副，地形为250 mm台阶与20°坡固定刚体，Simulink以目标角速度ω_ref(t)=1 rad/s反馈实际ω_i(t)算误差e_i(t)并以离散PI算扭矩指令并限幅。物理样机总质量280 kg、轮半径200 mm、电机-减速箱短时许用扭矩180 N·m，平地直行与加减速以≤0.2 m/s阶跃速度测试，10 m直线侧向偏移±10 mm内，0.2 m/s急刹平均制动距35 mm、时间约0.55 s、俯仰角变<5°；原地转向以左三轮反转右三轮正转实现360°枢转转向，角速度0.2、0.4、0.6 rad/s均可靠完成。越障测试以0.2 m/s过250 mm木台阶记录前轮接触、中轮抬升、后轮跨越三阶段瞬时扭矩；爬坡测试从平地以0.2 m跨/s恒定速入20°混凝土坡并记录过渡与短稳态爬坡六轮电流衍生扭矩以评负载裕度与牵引中断可能。

后在结果与讨论(Results and Discussion)中，越障性能(Obstacle-Crossing Performance)显示仿真理想对称模型单左侧三轮扭矩峰值约100–140 N·m，时序严格按前中后轮依次在t≈13 s、18 s、23 s出现峰，前轮初触峰大、中轮承最大支撑、后轮滞后且稳小。实验实测六轮数据中左侧扭矩正、右侧负源于镜像电机安装与坐标定义，非制动亦非特殊分配机制；前中轮冲击瞬扭矩幅值达约150 N·m伴高频振荡，高于仿真约120 N·m，源于硬接触、气动胎与混凝土台阶直接冲击、齿轮间隙、轴承摩擦、地形不均与非对称加载；但峰值均在短时许用范围内，平台完成指定250 mm台阶跨越。定量比较仿真与测试趋势一致但局部峰偏差显著，前轮越障阶段后轮峰值误差达150%，后轮越障阶段后轮峰值误差66.7%，归因于轮胎非线性变形、地面摩擦系数随机变化与机械传动间隙。爬坡性能(Slope Climbing Performance)仿真单侧重轮20°爬坡时序为前轮约t=7 s入坡扭矩升，中后轮约t=12 s依次入坡扭矩升，t=17–28 s全车在坡上扭矩稳于约30–40 N·m稳态平台。实验因坡长有限录平地到坡面过渡与短稳态爬坡，左侧正右侧负同因安装与坐标定义，约t=12 s六轮全入坡扭矩收敛稳于25–35 N·m幅值，无严重振荡发散或失矩，未见明显牵引中断但需直测轮载确认；仿真平均爬坡扭矩约35 N·m，实验稳态约30–32 N·m低约10%偏差，短稳态爬坡平均轮载约30 N·m低于额定40 N·m且在电机-减速箱短时许用内，实验区间未观完全零扭矩掉落故无明离地但无直测轮载故仅为间接观察非六轮等载直接证明。

讨论与结论翻译部分，针对核退役任务中末端执行器更换与环境适应性需求，研究人员设计实现了带被动摇臂-转向架悬架与六独立驱动的六轮移动平台，在250 mm台阶与20°坡上进行样机测试。主要结论如下：配置与实现方面，样机采用成熟被动摇臂-转向架悬架架构结合六轮独立驱动，本工作贡献在于为该重型核环境支持平台适配与实验评估该配置，而非提出新悬架拓扑或主动底盘俯仰调节机制；代表性地形验证方面，样机实验表明在测试条件下成功越过250 mm垂直障碍与爬上20°坡，验证了样机在指定代表性地形上的可行性，但不足以声称超出测试案例的泛化越障能力；车载传感器数据驱动负载评估方面，六轮驱动实时监测数据显示在测试越障与爬坡过程中电机扭矩均在允许范围内，测得正负扭矩符号由镜像电机安装解释，因未直测垂直轮载，关于所有轮等载分布的声明已移除留待未来用轮载传感器或接触力仪器验证。未来工作将聚焦多模态感知与轮载测量及闭环控制、基于动态约束构建越障动作基元库引入强化学习或地形自适应算法优化策略、六轮差速转向底盘与多自由度机械臂物理逻辑集成验证障碍或倾斜地形下“眼–手–腿”协调与视觉伺服力控自动精确对接、针对高辐射场景对关键电子元件与传感器进行辐射加固测试评估系统长期稳定性可靠性以为退役项目部署提供工程数据支持。论文发表于《Sensors》。

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