《Journal of Terramechanics》：Research status and development trends of walking wheels
编辑推荐：
行走轮作为复杂地形的新型步行设备，突破了传统交通工具的限制，在农业和资源开发中具有应用潜力。其发展经历原始探索到机构模拟再到运动模拟阶段，涉及牵引效率、牵引力、通过性等理论，但存在滑动、振动大、牵引力不足等问题，制约实际应用。研究提出仿生工程优化路径，未来需聚焦刚柔耦合结构、仿生结构设计及材料选择。
韩殿雷|任立志|李长伟|刘海瑞|胡金瑞|朱永云
江苏省江苏大学农业工程学院，镇江212013，中国
摘要
作为一种新型的适用于复杂地形的行走装置，行走轮突破了传统移动装置的局限性，在资源开发和农业生产领域具有显著的应用潜力。本文回顾了行走轮的发展历程，从最初的探索到机构仿真，再到运动仿真。此外，还概述了与行走轮相关的理论内容，包括牵引效率、牵引力、通过性、轮-地形相互作用力学模型以及运动机制的分析。分析发现，目前的行走轮仍存在滑移、冲击振动大、牵引性能不足、平稳性差和承载能力弱等问题，导致其在实际生产中的应用较少。基于此，本文提出了一条仿生工程优化路径：借鉴生物体的优秀环境适应机制，并明确未来研究应聚焦三个关键方向：刚柔耦合组装、仿生结构设计和仿生材料选择。本研究为复杂地形行走装置的后续研发提供了明确的技术方向和理论支持，也为行走轮与复杂地形之间的相互作用提供了理论参考。
引言
随着生产环境条件的日益复杂，移动装置的可适应性需求日益增强（Wang和Xue，2015）。在多样化的工程应用和科学研究中，移动装置对复杂地形的适应性是一个重要且亟待研究的领域。复杂地形涵盖了多种地形特征，如山区、沼泽地、积雪覆盖的地形、泥泞的道路、崎岖的山路以及不规则的农业用地。这些地形对移动装置的设计、性能提升和控制机制提出了诸多挑战。软质地形的土壤承载能力和剪切能力较低（Liu和Quan，2013），车辆在这些地形上容易陷入、打滑且难以通过（Li等，2015）。随着资源开发和生产需求的增加，移动装置的性能成为许多生产设备的关键因素，不仅决定了设备的移动效率，也影响着整体生产效率。目前，常见的移动装置主要有三种类型：轮式、履带式和腿足式。
轮式移动装置具有结构简单、运行平稳、速度快和适用性强的优点，是目前最常用的移动装置，广泛应用于各种运输车辆中。根据结构不同，轮式移动装置可分为刚性轮、柔性轮、可扩展轮等。刚性轮是目前在软地形上使用最广泛的移动装置，由轮毂、辐条和轮辋组成（Muro，1993；Zhang等，2015）。它具有较大的承载能力、高强度和简单的结构，但缓冲和减震能力较差，牵引性能也不理想。柔性轮具有良好的缓冲和减震性能，常见的柔性轮通过改变轮辋材料或辐条的姿态来实现减震（Deng等，2022）。因此，柔性轮适用于在硬地面和复杂地形上行驶，以提高驾驶舒适性，但不适合在软地形上使用。可扩展轮通过内部充气或轮体自身的收缩特性来改变与地面的接触面积，从而提高在沙地等软地形上的适应性（Jones，2001；Kustas等，2000）。然而，其可靠性较差且生产工艺复杂，因此在实际生产中应用较少。
履带式移动装置适用于在潮湿和软地面上行驶，具有支撑面积大、地面压力小、滚动阻力低、牵引性能好和通过性强的优点，适用于更复杂的地形（Bruzzone等，2022；Tang等，2020；Yuan等，2024）。其越野机动性、爬坡能力和跨沟能力优于轮式结构（Xu等，2022）。根据结构分类，履带式移动装置可分为梯形、平行四边形和三角形履带。三角形履带便于操作（Wong，1997；Ahmad等，2020；Jinzheng等，2018）。然而，其缺点也很明显，主要包括移动速度慢、能耗高、移动机构易磨损、对履带材料和配置要求高，以及可能对地面造成不必要的损坏（Ayers，1994；Liu等，2023；Jing等，2024）。
腿足式移动装置常用于机器人，尤其是双足和四足机器人（Mikolajczyk等，2022；Biswal和Mohanty，2021；Zhang等，2020a）。由于其与地面的接触点是非连续的，因此其通过性优于轮式和履带式移动装置（Zhong等，2019）。在复杂地形（如山区和灾后地区）行走时，腿足式移动装置的适应性更强。在设计过程中，常以动物为原型，研究其肢体结构、运动姿态和生物特性，并进行仿生设计以应对不同地形带来的挑战（Alexander，2004；Wang等，2015）。但由于运动控制的原因，其结构特性较为复杂，如平稳性差、在软地形上容易陷入、承载能力不足等问题（Wong和Huang，2006；Jin等，2021）。其技术指标的详细对比见表1。
为了解决轮式移动装置在软地形上容易打滑和通过性差（Liu和Huang，2023；Wong等，1998）、履带式移动装置转弯半径大、移动速度慢和地面破坏程度高（Park等，2008；Bekker，1980）以及腿足式移动装置控制系统复杂和成本高的问题（Guo等，2022），本文设计了一种具有更好牵引力和更高通过性的移动装置——行走轮（Yang等，1994）。该装置结构简单，通过用独立的足端替换传统轮式移动装置的连续轮辋来消除这些问题。行走轮具有良好的牵引性能、防滑性和通过性，与地面的接触点小且非连续，因此对地面的破坏程度小（Chen等，1994a；Chen等，1994b；Chen等，1994c）。行走轮结合了多种移动装置的优点，为移动装置的设计提供了新的思路和解决方案（图1）。
行走轮的研究现状
目前，常见的移动装置包括轮式和履带式，而腿足式在车辆应用中较为少见。经过长期实践验证，轮式车辆在公路行驶中是最有效的移动装置。然而，车辆行驶的道路环境并非总是平坦的；自然界中存在许多复杂地形。自1924年以来，轮式车辆在牵引性能方面进展缓慢
行走轮存在的问题
作为一种新型移动装置，行走轮取得了一系列成果，为复杂地形移动装置的发展开辟了新的方向，极大地扩展了我们对移动装置的理解。行走轮展示了新的发展前景，在农业生产中具有广泛应用潜力（Ren等，2000；Ren等，2001；Ren，2009）。然而，行走轮也面临一些独特的问题
行走轮的发展趋势
与传统移动装置相比，行走轮能够充分发挥其优势性能，在复杂地形中实现最佳适应。因此，其应用范围正在逐步扩大（Liu等，2024；Tan等，2020）。通过观察某些动物在复杂地形上的高效移动行为，借鉴仿生学原理设计了行走轮（Low等，2015）。仿生学为行走轮的设计提供了理论基础
应用前景
在农业生产中，行走轮可以有效提高牵引力，在播种和收割作业时确保在潮湿软地上的通过性。当足端在土壤中向后滑动时，能够压实土壤，从而增加牵引力。在复杂地形条件下，行走轮显著提升了运输车辆的机动性。在机器人领域，行走轮也有广泛应用前景
结论
未来，复杂地形将成为移动装置面临的主要挑战之一。目前，行走轮技术尚未完全适应复杂地形，仍存在易陷入地面、冲击振动大、牵引性能不足和运行平稳性差等关键问题，这些限制了其实际应用范围，使其无法充分发挥作为传统移动装置的补充作用
作者贡献声明
韩殿雷：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、方法论设计、研究调查、资金筹集、数据分析、概念化。任立志：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、软件开发、研究调查、数据分析。李长伟：撰写——审稿与编辑、可视化、软件开发、数据分析。刘海瑞：撰写——
资助
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52105304、32202999）、2023年江苏省现代农业装备与技术重点实验室开放项目、教育部和江苏省农业装备与智能高新技术重点实验室（项目编号MAET202327）、江苏省高等教育机构优先学术发展计划（项目编号PAPD-2023-87）以及江苏省自然科学基金的支持
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。
