非常規行走機構（Unconventional walking mechanism） 是不同於常規行走機構（車輪和履帶），能夠適應各種不同行駛環境的特殊行走機構。非常規行走方式主要有滑動行走、蠕動行走、蛇形行走、螺旋行走和腿式行走，以及沉浮結合式的行走機構。
基本介紹
- 中文名：非常規行走機構
- 外文名：Unconventional walking mechanism
- 類型：滑動行走、蠕動行走等
- 領域：地面—車輛機器系統力學
簡介,機理,分類,沉式行走機構,浮式行走機構,沉浮結合式行走機構,
簡介
非常規行走機構（Unconventional walking mechanism） 是不同於常規行走機構（車輪和履帶），能夠適應各種不同行駛環境的特殊行走機構。非常規行走方式主要有滑動行走、蠕動行走、蛇形行走、螺旋行走和腿式行走，以及沉浮結合式的行走機構。
機理
非常規行走機構的研究可追溯至地面力學發展領域。地面力學與空氣動力學、水動力學，並稱為研究運載工具運動的基礎性“三大力學”，主要研究機器與其工作地面之間的關係，是工程力學的一個分支，也可稱為地面車輛力學或車輛地面力學。非常規行走機構正是在地面力學的基礎上，研究非常規作用方式與地面變形之間的關係。行走機構對地面施加作用力後，地面以反作用力的方式改變行走機構的運動狀態，使行走機構按照特定的路徑規劃移動運行。
地面介質特性是決定行走機構與工作地面之間關係的重要因素。地面介質作為地殼表層的覆蓋物，是介於彈性體與塑性體之間的介質，由固體顆粒及顆粒間孔隙中的水和氣體組成，由固、液、氣三相物質組成，是一個多相、分散、多孔的系統。由於地面介質顆粒間存在不同比例的氣相與液相成分，使得地面介質具有不同程度的黏附力與滲透性，呈流體或半流體狀態。由於流動性介質抗剪下能力弱、界面摩擦因數低，常規行走機構不宜行走於其上。故而開發非常規行走機構，令其驅動方式及力面幾何特性與地面介質特性相匹配，以適應特定地麵條件的需要。
分類
時至今日，非常規行走方式主要有滑動行走、蠕動行走、蛇形行走、螺旋行走和腿式行走。其中，滑動行走屬於代步行走，其整體裝配機構中不存在驅動設備，主要依靠主動驅動機構推動其滑行，屬於被動行走機構；其餘四種行走方式多以主動行走機構的形態呈現於移運平台中。
沉式行走機構
1、蠕動行走
蠕動行走指行走機構的質心高度發生變化，行走機構的垂向彈特性與地面介質彈特性耦合，屬於二維空間行走模式。蠕動行走將接觸介質分為推動區和阻力區，以增大地面介質推力、減小地面介質阻力的質心變化方式改變土壤的牽引力。所以，蠕動行走充分利用了地面介質的力學性能，具有功率損耗小的特點。
隨著工業技術的進步，移動本體與地面介質間的蠕動擴展到移動本體與管道界面間的蠕動。結合機構與自動化技術的不斷更新，移動裝置以不同的附著形式與承載介質互動作用，達到蠕動行走的目的，例如以機構運動的方式控制移動本體與環境的附著性能，從而實現蠕動行走。
2、蛇形行走
由於蛇形行走裝置多套用於特殊任務的需要，即工作地面環境比較複雜，與地面力學相關的動力學模型的建立是蛇形行走機構研究的重點。
3、螺旋行走
螺旋行走以螺旋轉動的方式破壞地面介質，以地面介質被破壞的反作用力作為牽引力，屬於三維空間行走模式。螺旋行走的機理與履帶行走相似，其不同之處為對地面介質的破壞方式，螺旋行走以順勢切割地面的方式產生牽引力；履帶行走以挑土撥土的方式產生牽引力。螺旋行走的抓土能力較強，但縱向進給需依據地面介質性能確定。螺旋葉片的曲率也是影響螺旋行走性能的重要因素，力圖令曲率半徑與地面介質所受切向力與垂向力的合力方向垂直，葉片順勢切割地面。
螺旋行走具有繞旋轉軸線進給的特點，亦適合管道內作業。螺旋行走管內機器人由驅動電動機、旋轉體和支撐體組成，驅動電動機帶動旋轉體旋轉，依靠旋轉體與管壁附著產生進給力，以實現螺旋行走。
4、腿式行走
腿式行走以多點支撐、交換腿移動的方式，通過腿部腳板與地面間所生成摩擦力的反作用力推動整體裝置行走，屬於二維空間行走模式。
土壤對腿式行走裝置提供支承力，裝置內部常裝有可程式序控制器以控制換腿模式與時序，令其行駛穩定性最優。所以腿式行走機構具有良好的越障能力、優越的可操作性和地面適應性。
傳統的多關節腿式步行機器人具有較強的地面適應能力，然而現有車載能源及驅動裝置限制了其實用化，所以行走機構創新與自動控制技術將成為未來發展方向。
5、步行輪式行走
多年來步行輪的試驗研究表明，特別對具有硬底層的鬆軟土壤，步行輪明顯優於一般輪胎的牽引附著性能。步行輪繼承了半步行輪在鬆軟土壤中具有良好牽引性能的特點，並大大改善了半步行輪在硬路面上行駛的平順性。研究結果不僅為在鬆軟地面車輛上開發套用新型行走機構提供了理論和試驗依據，也為正在研究解決像沼澤、海塗等無硬底層軟地面車輛通過性問題提供了理論基礎。
浮式行走機構
浮式行走機構的行走方式主要為滑動行走。滑動行走作為一種非常規行走方式，主要套用於相互作用的媒介物相對摩擦阻力較小的場合。與常規行走相似，滑動行走的研究集中於兩接觸表面的相互作用以及滑動機構的代步特性。
浮式行走機構以滑動行走為主，滑動行走指行走物體與介質表面間的相對移動，屬於一維空間行走模式。以地面介質的附著性能為量化指標。滑動行走多存在於具有低附著係數界面的物體間。對於地面機械，滑動行走多在泥沼、雪地、沙土等脆性土壤上進行。由於滑動行走屬於被動行走，地面介質對滑動裝置不提供牽引力或轉向力，故行走穩定性不容易控制，須對行走裝置加以特殊設計以達到行走裝置的主動或半主動控制。
滑動行走機構行走於脆性地面，依據滑動行走機構垂直載荷的位置，將地面分為“載入區”和“卸載區”。此外，滑動行走機構的垂直載荷位置影響著整體裝置的縱向傾角，縱向傾角決定著地面介質阻力的大小。所以，滑動行走機構所承受外載荷作用方式影響著機構的滑動特性，亦是車輛構型問題的重要研究點。
陸上行走裝置的轉向力由地面提供，故而滑動行走機構對地面介質的切割方式，即滑動觸土部件的力面幾何特徵，成為滑動行走機構操縱穩定性的研究重點。結合整體移運平台的動力性能，滑動行走機構與地面的作用方式可分為“有滑移”和“無滑移”兩種，“有滑移”切割地面則消耗能量大，“無滑移”切割地面則消耗能量小，地面只提供轉向側傾力。所以，在研究滑動行走機構的操縱穩定性方面，以滑動行走機構與地面之間“無滑移”切割為研究基礎對滑動觸土部件的外形進行設計。
以滑動發生機理為切入點，考慮兩個獨立物體之間發生相對運動，其運動特性與物質的材料、接觸界面的組成及相互作用密切相關。為充分發揮其滑動特性，降低滑動摩擦力和粘附力，多對行走裝置底面進行分形設計，使滑動界面間固、液、氣互動滿足滑動效果最優的量化指標。或者，依據土壤的動力特性，對滑動裝置的剛度進行分析令其與土壤特性匹配。
綜上所述，非常規行走機構研究的核心內容為行走裝置的通過性，即觸土部件與地面的作用方式、觸土部件結構與地面土壤的耦合關係、行走機構的驅動方式以及行走機構運動特性與地面土壤的關係。其中，滑動行走方式作為基礎型行走方式，由於其對地面土壤破壞程度小且消耗功率低，被拓展至蠕動行走和蛇形行走，令非常規行走方式得到縱深發展。
沉浮結合式行走機構
為了解決特殊地域的交通問題，人們設計了一些專用的非常規行走機構，這些行走機構首先要支承起車身，同時要提供驅動的牽引力。因此它們的特點和常規行走機構（車輪和履帶）不一樣，增加了支承車體的機構，如機耕船船體、雪地摩托的滑橇和氣墊車等，這些支承車體的機構是行走機構的一部分與驅動機構獨立並協同工作。
沉浮結合式行走機構原理最早在水田作業車輛——機耕船上得到了套用，機耕船通過驅動輪和船體分別承擔普通水田拖拉機車輪擔負的驅動和承載兩種作用。機耕船的驅動輪陷入土壤中驅動整車前進，而船體浮在水田土壤的表層滑行，在沉浮機構各自作用下，驅動和滑行有機結合起來，有效地提高了行走機構的行駛性能。採用沉浮結合式原理的機耕船較拖拉機等水田作業機械，在運動學和動力學上發生了較大的變化，使其具有在水田沉陷小，行駛阻力小，不會破壞水田硬底層，適於水田作業的行駛使用的顯著優點。
沉浮結合的行走機構可分為“沉”式行走部分和“浮”式行走部分。“沉”式行走部分通常是主動行走裝置，為移運平台整體提供驅動力，令土壤對行走機構產生牽引驅動力；“浮”式行走部分通常是被動行走裝置，在主動行走裝置的推動下行走，屬於代步行走。“沉”式行走部分與“浮”式行走部分的協同工作，各自發揮自身結構的優勢，可以在有限的功率消耗條件下，充分利用土壤產生的推力，同時減小土壤產生的行駛阻力。
研究表明，當“沉”式行走裝置的驅動輪在最佳的入土深度時會發揮最大的驅動性能，同時驅動輪行駛阻力不致過大。沉浮結合式行走機構利用驅動輪軸相對車體位置的上下調節機構可以使驅動輪獲得最佳入土深度，從而獲得最佳驅動效果。由於“浮”式行走部分裝置具有較大接地面積，設計合理的“浮”式行走裝置能夠利用機體與地面行成的水膜或空氣墊，從而減小滑動摩擦阻力，承載大部分的整車重量，平衡車輛質心，提高整車通過性，且消耗較小的功率，具有良好的經濟性。因此沉浮結合移運平台作為深鬆軟地面載運裝置被廣泛採用。
