开发用于在松软土壤上之字形攀爬的推滚机器人的转向运动机制

《Journal of Terramechanics》：Developing turning motion of push-rolling robot for zigzag climbing on loose soil

轮式机器人利用对角伸缩运动实现松散土壤陡坡之字形爬行研究，通过数值模拟和实验验证了滑移角与滑移率对推力-阻力平衡的影响，提出前轮主动转向与后轮被动关节伸缩结合的转向机制，有效降低实际爬坡角度至34°以下。

　　

藤原大辅 | 飯塚康次郎

日本长野县千野町豊平5000-1，沼田理科大学

摘要

轮式机器人可以利用锁死车轮产生的剪切力来提高在松软土壤上的爬行性能。一个典型的例子是推滚式机器人。然而，以往的研究主要集中在纵向运动上。在松软且坡度较大的土壤上进行灵活转弯可以帮助机器人以之字形路径爬行，从而降低实际坡度。尽管如此，尚未开发出能够进行对角线方向伸缩运动的转弯机制，因此在这些条件下的转弯和之字形运动特性仍不明确。本研究的目的是开发一种具有对角线方向伸缩运动的转弯机制，并评估其推滚式爬行性能。

引言

轮式机器人已被应用于各种自然环境中，如行星表面、农田和积雪覆盖的地形，以提高人类生产力（JAXA, 2024; NASA, 2024; Arvidson et al., 2010; Lever et al., 2009; Girija et al., 2023; Roshanianfard et al., 2020）。它们的优点包括结构简单、易于控制以及可缩小尺寸。然而，轮式机器人的缺点是在松软土壤上容易打滑和陷入其中（Arvidson et al., 2010）。例如，美国国家航空航天局（NASA）开发的火星探测车“勇气号”就曾在火星表面陷入困境。为了解决这个问题，人们开发了能够有效利用土壤表面剪切力的轮式机器人，如推滚式机器人和轮式行走机器人。这些机器人可以通过调整悬挂系统来固定某些车轮，在移动过程中利用锁死车轮下方的剪切力重新定位其他车轮。典型的例子包括四轮机器人“Scarb”和六轮机器人“Marsokhod”（Creager et al., 2015; Kemurdjian et al., 1992）。

在我们之前的工作中，我们开发了一种小型轻量级的推滚式机器人，能够在坡度超过30°的松软土壤上爬行（Fujiwara et al., 2025）。最近的研究提高了推滚式机器人的爬行速度（Cao et al., 2023）。

这些研究主要集中在直线运动上。然而，在实际任务中，机器人需要能够在多个方向上低滑移地移动。通过在陡峭的土壤坡面上灵活地进行横向转弯，机器人可以通过之字形路径爬行来降低实际坡度。传统的圆柱形轮式机器人通常通过转向机构或旋转轮子的滑动运动来实现简单转弯，但这两种方法都会导致机器人打滑，且推滚运动和转弯运动是独立的。同时，Cordes和Babu（2016）开发了一种带有多个执行器的轮腿式机器人，这种配置使机器人能够在多个方向上移动，但推滚运动和转弯运动仍然是独立的。因此，开发一种具有对角线方向伸缩运动的转弯机制是一个实验性挑战，而执行之字形爬行的机器人的行驶性能仍不清楚。

为了解决这一挑战，本研究在先前开发的推滚式机器人的基础上（Fujiwara et al., 2025），加入了转向功能，并引入了一种使用简单伸缩运动的被动转向机制。首先，通过评估作用在车轮上的力来研究不同滑移角度和滑移率对推滚性能的影响。然后，使用测试平台机器人进行了转弯实验。实验表明，适当的滑移角度范围可以实现低滑移的稳定转弯。最后，证明了所提出的机制能够在陡峭坡度的松软土壤上实现之字形运动。

推滚运动概述

在以往的研究中，已经开发出了多种推滚运动配置。这些配置采用了不同的机制，但在伸缩运动过程中驱动轮的运行方向或运动方式各不相同。“Scarb”（Creager et al., 2015）和Cao等人（2023）开发的机器人会围绕车身上的任意点旋转轮子，这会导致机器人的重心在推拉过程中发生偏移。

利用推滚运动实现转弯

图4展示了所开发的推滚式转弯运动。首先，机器人将前轮转向一个角度$\backslash delta$。随后，它在旋转前轮$\backslash psi$的同时，将轮距扩展到线性执行器的最大伸展位置。由于线性执行器通过被动关节机构与后轮相连，因此执行器的角度受到前轮运动的限制。然后，机器人调整前后轮的转向角度。

测试平台机器人

测试平台的尺寸为宽174毫米、高114毫米、长284毫米，质量为0.99千克。轮距范围为209毫米至309毫米（图7）。线性执行器连接前后轮单元，形成了简单轻量化的结构。前后轮都具有转向功能：前轮由中央执行器驱动，而后轮通过被动关节机构连接，使其转向角度可调。

仿真条件与程序

为了研究滑移率和滑移角度对$F\_x$、$F\_y$和$F\_r$的影响，数值仿真评估了在不同条件下的驱动力和阻力是否能够保持稳定。

本节研究了在不同滑移角度和滑移率下，测试平台机器人车轮的牵引力$F\_x$、阻力$F\_r$和侧向力$F\_y$的变化情况。

测试平台机器人的转弯性能

为了验证所提出的推滚式转弯机制的有效性，本节在陡峭的松软土壤上进行了转弯实验。

之字形爬行性能

根据第7节中的转弯测试结果，当初始安装角度低于34°时，机器人能够以低滑移率完成转弯。这些实验结果表明，所开发的转弯机制可以应用于之字形爬行，尤其是在降低实际坡度方面非常有效。在本节中，转弯角度被限制在34°以下进行了之字形爬行实验。需要注意的是，测试平台机器人并未配备专门的转向装置。

结论与未来工作

本研究的目的是开发一种基于推滚运动的转弯机制，并评估其在松软土壤上的转弯和之字形爬行性能。通过数值仿真和单轮测试，验证了轮子滑移角度和高滑移条件对相关参数的影响。随后，在不同转向角度和初始安装角度下测试了该机制的转弯性能。最后，验证了所提出机制在之字形移动中的有效性。

CRediT作者贡献声明

藤原大辅：方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念构建。饭塚康次郎：指导与概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢沼田理科大学的学士生肖藤泽广人的实验帮助。本研究得到了日本学术振兴会（JSPS KAKENHI）的资助（项目编号：21K14105）。