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论文：基于卡住的松软地形刚度可调车轮的设计与开发

Tachadol Suthisomboon, Stephane Bonardi, Genya Ishigami,

Design and development of jamming-based stiffness-adjustable wheel on soft terrain,

Journal of Terramechanics,Volume 117,2025,101014,ISSN 0022-4898,

https://doi.org/10.1016/j.jterra.2024.101014.

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022489824000569)

本文提出一种基于结构卡紧机制的刚度可调车轮，旨在解决行星漫游车在软地形的通过性难题。该车轮以 Husky 机器人为适配平台，通过调节外轮辋 20 个弧形梯形楔块内 1.2mm Bowden 电缆的张力实现刚度连续调制，核心组件包括轮芯、内部 PEI 挠性件及电缆张紧系统。刚度测量实验证实，车轮刚度可调范围为17.05-22.55 N/mm，低刚度较最高刚度平均降低75.6%；软地形通过性实验表明，低刚度车轮在 6kg 垂直载荷 + 1.5kg 牵引载荷下行驶距离达 1283.50mm，较最高刚度车轮（812.05mm）长155.08%，电机电流最多减少67.18%，滑移率显著降低，验证了其在软地形的通过性优势。

1. 引言：研究背景与目标

1.1 研究背景

自 1970 年代行星漫游车发展以来，软地形通过性始终是核心挑战 —— 典型案例为 2015 年 Spirit 漫游车因陷入弱土壤而瘫痪，凸显预驱动成像难以预判复杂地形的问题。现有车轮技术存在明显缺陷：刚性车轮：地形适应性差，软地形牵引性能弱；柔性车轮：刚度固定不可调，无法适配多地形（过软导致滞后阻力大，过硬导致压实阻力呈指数增长）；变形车轮（折纸 / 连杆结构）：改变直径会影响车速、所需扭矩及滚动阻力，且缺乏减震能力。

1.2 研究目标与创新点目标：

开发一种基于结构卡紧机制的刚度可调车轮，通过主动调节刚度，平衡软地形的牵引性能与能量消耗，提升行星漫游车通过性。创新点：首次将 “电缆张力控制卡紧” 机制应用于车轮刚度调制，无需依赖预应力即可改变刚度，避免传统可调刚度设计中材料屈服的问题。

2. 车轮设计与开发

2.1 设计原理

核心机制为电缆张力控制外轮辋楔块的卡紧与分离：  

• 高刚度状态：电缆张力升高→20个弧形梯形外轮辋楔块相互靠近并卡紧→车轮维持圆柱形结构→刚度提升；

• 低刚度状态：电缆张力降低→楔块分离→车轮可随地形变形贴合表面→刚度降低。

Fig. 1. Concept idea of the jamming mechanism for the wheel outer rim. When the cable (black bold line) is released (left), the jamming forces between each wedge decrease, which allows the shape to conform. While the high tension configuration (right), the wedges of the outer rim jam with each other, forcing the outer rim to form a circular shape.

2.2 核心组件设计（表1：车轮核心组件参数）

Fig. 2. CAD model of the stiffness-adjustable wheel. (a) isometric, (b) front, (c) side, (d) three-quarter section, (e) cross section, and (f) half section views.

Fig. 3. Exploded view of the final design shows sub-components. (the cable and tensioner are omitted from the figure).

Fig. 4. Fabricated version of the final design wheel with grousers.

Fig. 5. Series of outer rim wedge with the cable routing through each wedge; Left image shows the geometry with the low tension in the cable; Right image shows the geometry with the high tension in the cable when the kinematic rearrangement occurs.

Fig. 6. Outer rim wedge design: (a) isometric and (b) half section views.

Fig. 8. Tensioner and cable routing path for the jamming mechanism: (a) cross-section view of the wheel at the middle of the outer rim wedge, (b) enlarged view of the starter wedge, and (c) tensioner attached on the wheel core.

2.3 整体参数

• 尺寸：直径300mm（无履带齿）、宽度122mm（适配Husky机器人）；

• 质量：2.79kg；

• 最大载荷：12.5kg（Husky机器人质量均分至4个车轮）。

3. 实验1：车轮刚度测量测试

3.1 实验Setup

• 设备：刚性支撑结构、力/扭矩传感器（Leptrino PFS080YS102U6）、线性磁编码器（HIWIN PM-A-05-3D-V-12，分辨率0.01mm）；

• 测试变量： 刚度等级：4种（低/中低/中高/高，对应张紧器位置1/4/8/12mm）； 接触角：3种（0°/4.5°/9°，分析刚度分布均匀性）； 垂直载荷：1-12kg（增量1kg），车轮自重6.49kg；

• 重复性：每个变量重复3次，确保数据可靠性。

3.2 实验结果（表2：12kg额外垂直载荷下的车轮刚度）

• 关键结论： 车轮刚度可调范围为17.05-22.55 N/mm，平均低刚度较最高刚度降低75.6%，满足多地形适配需求； 刚度分布均匀，最高刚度下偏差仅8%（2.0 N/mm），可避免行驶过程中产生振动； 最低刚度位于楔块间隙处（9°接触角），因法向力导致挠性件弯曲，符合地形贴合需求。

4. 实验2：车轮软地形通过性测试

4.1 实验Setup

• 地形：Toyoura砂（D50=0.11mm），每次测试前疏松并整平，消除压实差异；

• 设备：带牵引载荷调节的车轮测试台、6轴力/扭矩传感器、Maxon EPOS4电机控制器（测量电机电流）；

• 测试变量： 垂直载荷：2种（0kg额外/6kg额外），车轮自重8.27kg； 牵引载荷：4种（0/0.5/1.0/1.5kg）； 刚度等级：4种（同刚度测量实验）；

• 评价指标： 滑移率（公式：s=1-v/(rω)，v=水平速度，r=车轮半径150mm，ω=角速度10 deg/s）； 电机电流（反映能量消耗）；

• 数据处理：采集频率10Hz，排除前5s瞬态数据，每个变量重复5次取平均值。

4.2 实验结果

核心发现：低刚度车轮在软地形的通过性显著优于高刚度车轮，具体表现为：  

1. 滑移率：高刚度车轮在高牵引载荷下滑移率急剧升高，低刚度车轮因接触面积大、剪切应力分布优，滑移率维持在低水平；

2. 能量消耗：低刚度车轮电机电流最多减少67.18%（相较于高刚度），因高刚度车轮压实阻力大，低刚度车轮避免过度压实土壤；

3. 行驶距离：在6kg垂直载荷+1.5kg牵引载荷（最具挑战性场景）下，**低刚度车轮行驶距离达1283.50mm，较最高刚度车轮（812.05mm）长155.08%；

4. 足迹形态：低刚度车轮足迹平坦，高刚度车轮因土壤搬运现象（颗粒被推至车轮后方）产生明显波纹，验证低刚度对土壤扰动更小。

Fig. 17. Top view of the footprints generated by the wheel with varied stiffness.

5. 结论与未来方向

5.1 核心结论

1. 卡紧机制有效性：通过电缆张力可实现车轮刚度的连续调制，调节范围达75.6%，满足软/硬地形适配需求；

2. 软地形优势明确：低刚度车轮通过增大接触面积、优化剪切应力分布，显著降低滑移率和能量消耗，提升通过性；

3. 设计可行性：车轮质量轻（2.79kg）、载荷能力达标（12.5kg），可适配现有移动平台（如Husky机器人）。

5.2 未来方向

1. 开发自动刚度调节机制：集成执行器与齿轮系，结合地形特性（如滑移率、电流）实现实时刚度调整；

2. 拓展测试场景：在火星模拟土壤、泥泞等不同软地形中验证性能，提升通用性；

3. 研究侧向特性：分析刚度变化对车轮侧向力、自对准扭矩的影响，完善控制模型（当前仅研究纵向特性）。

关键问题

问题 1：该刚度可调车轮的结构卡紧机制具体如何实现刚度调制？核心组件的作用分别是什么？

答案：刚度调制通过电缆张力控制外轮辋楔块的卡紧与分离实现：当电缆张力升高时，20 个弧形梯形外轮辋楔块相互靠近并卡紧，车轮维持圆柱形结构，刚度显著提升；当电缆张力降低时，楔块分离，车轮可随地形轮廓变形贴合，刚度降低。核心组件作用如下：

• 轮芯：作为驱动连接与结构支撑，配备亚克力保护盘，防止内部挠性件因过载或冲击产生永久变形；

• 内部挠性件：采用 PEI 材料（0.8mm 厚），是车轮柔性的核心来源，62N 载荷下可变形 12mm 且不超过屈服强度（129MPa），提供弹性恢复力；

• 外轮辋楔块：构成车轮外形，0.4mm 间隙补偿制造与装配误差，可安装履带齿进一步提升牵引性能；

• 电缆张紧系统：通过 1.2mm Bowden 电缆（减少摩擦）和 M4 螺栓手动调节张力，是刚度调制的控制核心（未来将升级为自动调节）。

问题 2：刚度测量实验中，车轮的刚度调节能力和分布特性对行星漫游车行驶有何实际意义？

答案：实验验证的刚度特性直接保障漫游车的行驶稳定性与地形适应性，具体意义如下：

1. 宽刚度调节范围（17.05-22.55 N/mm，平均降低 75.6%）：使车轮可根据地形切换刚度 —— 软地形用低刚度增大接触面积、降低压实阻力，硬地形用高刚度避免过度变形，适配行星表面复杂地形；

2. 均匀的刚度分布（最高刚度下偏差仅 8%）：避免车轮因局部刚度差异产生行驶振动，保障漫游车导航精度（如减少定位偏差）和机械部件寿命；

3. 最低刚度位于楔块间隙（9° 接触角）：该位置恰是车轮与地形的主要接触区域，优先变形可提升地形贴合度，减少打滑风险，尤其适用于起伏软地形。

问题 3：软地形通过性实验中，低刚度车轮表现更优的根本原因是什么？有哪些关键数据支撑这一结论？

答案：低刚度车轮表现更优的根本原因是增大接触面积 + 优化剪切应力分布：软地形中，低刚度车轮可贴合地形变形，接触面积显著增大，使剪切应力平行于行驶方向的分量提升（增强牵引力），同时减少土壤压实（降低压实阻力）；高刚度车轮接触面积小，易陷入土壤，导致压实阻力和滑移率骤升。关键数据支撑如下：

1. 行驶距离：在 6kg 垂直载荷 + 1.5kg 牵引载荷（最具挑战性场景）下，低刚度车轮行驶距离达 1283.50mm，较最高刚度车轮（812.05mm）提升 155.08%，直接体现通过性优势；

2. 能量消耗：低刚度车轮电机电流最多减少67.18%（相较于高刚度），证明其能量效率更高，符合行星漫游车低功耗需求；

3. 滑移率：高刚度车轮在高牵引载荷下滑移率急剧升高，低刚度车轮滑移率维持在低水平，保障动力传递效率，避免 “空转陷车” 风险。

专利：用于能够在极低温度下行驶的地外车辆的无气轮胎-米其林

米其林集团总公司的地外车辆无气轮胎发明专利（申请号 202380084882.1，公布日 2025.07.18） ，旨在解决月球、火星等 -243℃至 + 53℃极低温度环境下的行驶需求；轮胎径向从内到外依次为支撑结构、剪切带、胎面 （剪切带含径向内膜、剪切结构、径向外膜，优选周向离散剪切元件），制造三者的材料需符合ASTM D638 标准（20℃时杨氏模量 1-6GPa、最大拉伸应力 25-150MPa；-196℃时杨氏模量 1.2-9GPa、最大拉伸应力 40-260MPa），优先选用高性能热塑性聚合物（如 PEEK Victrex CT100™，-196℃时 E=7GPa、Sm=252MPa）；制造可采用增材制造（3D 打印）或注塑成型，支持单一部件制造或分部件接合（热塑性铆钉 / 粘接），适配负载 16-160daN、最高速度 20km/h 的地外探测车辆。

一、申请基础信息

本文为米其林集团总公司（地址：法国克莱蒙 - 费朗）提交的发明专利，聚焦地外车辆极低温度无气轮胎，关键申请信息如下：

二、技术领域与背景

1. 技术领域：针对地外探测车辆（如月球、火星车），适配温度区间 **[-243℃; +53℃]**（参考月球南极实测温度），可在沙地、石地等多类型地面行驶。

2. 现有技术痛点：

• 常规轮胎：橡胶基材料在极低温度下机械性能失效，无法承载或传递力。

• 金属车轮：存在非线性垂直刚度（超过最大载荷后刚度骤降崩溃）、质量大、耐久性有限三大问题，不利于长期地外作业。

• 传统无气轮胎：常见聚合物（如橡胶、聚氨酯）低温刚度过高，易导致高接触压力（陷入月球沙地）和高滚动阻力（消耗过多能量，影响车辆自主性）。

三、轮胎核心结构（径向分层设计）

轮胎采用径向从内到外的分层结构，各层功能明确，具体如下：

四、材料技术要求

1. 测试标准：所有材料机械特性需按ASTM D638 标准（美国材料试验协会 “塑料拉伸性质测试方法”）测量，测试试样规格为：长度 84mm、厚度 2mm，窄部长度 25mm、宽度 4mm，拉伸速度 500mm/min。

2. 核心机械特性（支撑结构、剪切带、胎面的至少一种材料需满足）：

3. 优选材料类型：高性能热塑性聚合物材料，该类材料在高温（≥150℃）和极低温度下均保持良好性能，具体推荐材料及特点如下：

五、制造方法

本发明提供两种主流制造技术及多种组装方式，适配不同生产需求：

主流制造技术：

• 技术一：注塑成型技术：通过模具对材料进行注塑，直接成型轮胎部件，工艺成熟。

• 技术二：增材制造技术（3D 打印）：利用 3D 打印机，通过喷嘴逐层沉积延展性材料；设备含支撑平台、材料喷嘴及驱动系统（实现竖直升降与水平平移），可精准控制复杂结构（如离散剪切元件）。

组装方式变体：

• 变体一：单一步骤制造：直接生产单一部件的完整轮胎，适用于注塑或增材制造，减少连接隐患。

• 变体二：分步组装制造：先制造基本部件，再通过以下方式接合：

• 铆钉接合：金属铆钉（不锈钢 / 铝）或热塑性聚合物铆钉（通过热传导 / 电传导 / 超声加热压缩制成，分单一铆钉、板状组装铆钉）。

• 粘接接合：使用与部件同类型的热塑性粘合剂，或优选环氧粘合剂。、

关键问题

问题 1：该无气轮胎的材料需满足特定温度下的杨氏模量和最大拉伸应力范围，其核心原因是什么？这些参数如何保障地外环境使用需求？

答案：核心原因是适配地外 **[-243℃; +53℃]** 的极端温度及行驶负载要求，参数的保障作用如下：

• 拉伸杨氏模量 E（20℃1-6GPa、-196℃1.2-9GPa）：决定轮胎刚度与承载能力，既确保承受 16-160daN 的负载，又避免刚度过高导致高接触压力（陷入月球沙地）或过低导致行驶不稳；

• 最大拉伸应力 Sm（20℃25-150MPa、-196℃40-260MPa）：决定轮胎耐久性，抵抗低温下材料脆化，避免长期行驶（最高 20km/h）中断裂；

• 统一的 ASTM D638 测试标准则确保参数测量准确，保证材料性能符合地外环境的严格可靠性要求。

问题 2：剪切带采用 “内膜 + 离散剪切结构 + 外膜” 的三层设计，这种设计相比传统连续剪切结构有哪些独特优势？

答案：该设计针对地外环境的轻量化、力传递效率与刚度优化需求，优势如下：

1. 力传递高效性：内膜与外膜的周向拉伸弹性模量远大于剪切结构，行驶时膜几乎不伸长，膜间相对运动通过剪切结构的剪切作用实现，可高效将行驶力传递至支撑结构，避免能量损耗；

2. 轻量化与刚度可控：离散剪切元件相比连续剪切结构质量更轻（符合地外车辆减重需求），且可通过调整元件数量、分布或形状，精细优化剪切带刚度，避免刚度过高导致高滚动阻力；

3. 低温适应性：离散结构与高性能热塑性聚合物（如 PEEK）配合，在 - 196℃极低温度下仍能保持结构稳定性，避免传统连续橡胶剪切层的低温失效问题。

问题 3：增材制造技术在该无气轮胎制造中的应用，相比传统注塑成型有哪些更适配地外需求的优势？

答案：增材制造技术的优势主要体现在复杂结构适配、模块化与材料兼容性上，更贴合地外需求：

1. 复杂结构成型能力：可精准制造 “离散剪切元件”“分层结构” 等复杂设计，无需传统模具限制，而注塑成型对复杂离散结构的加工难度更高，难以满足剪切带的精细刚度要求；

2. 模块化制造适配：支持分部件制造后现场组装（如热塑性铆钉连接），便于地外探测设备的拆分运输（减少运输体积），而注塑成型更适合单一部件制造，灵活性较低；

3. 材料性能保障：可逐层均匀沉积高性能热塑性聚合物（如 PEEK），避免注塑可能出现的气泡或密度不均问题，确保轮胎在 - 196℃下的杨氏模量、拉伸应力等参数达标，提升地外使用的可靠性。