基于虛擬樣機的復(fù)合式履帶機器人動力學分析?

丁 艷，閆 軍，吳志強

（漢中職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，陜西漢中 723000）

基于虛擬樣機的復(fù)合式履帶機器人動力學分析?

丁 艷，閆 軍，吳志強

（漢中職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，陜西漢中 723000）

基于研發(fā)可適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化地形的移動機器人平臺的需求，就復(fù)合式越障機器人動力學性能展開研究。首先在Recurdyn平臺上建立了主從履帶復(fù)合式越障機器人的虛擬樣機，建立了其與平地硬質(zhì)及軟性地面的接觸模型，并在這兩種路面上進行行駛仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，得到機器人平地前進的動力學數(shù)據(jù)，并對機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出一定建議。

復(fù)合式越障機器人；Recurdyn；硬質(zhì)路面；軟性路面

1 引 言

復(fù)合式越障機器人是適形越障機器人的一種，它有多種結(jié)構(gòu)形式，如輪／腿式、輪／履帶式等。它們通過機構(gòu)之間的合作完成在泥濘地面上的行走和跨越障礙等各種不同的任務(wù)。筆者采用的復(fù)合式越障機器人使用兩套履帶系統(tǒng)，即主履帶和從履帶，主履帶和其支架、車身本體組成主車體，從履帶和其支架組成擺臂。機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所列，整車質(zhì)量為226.8 kg，仿真平臺采用Recurdyn中的履帶車模塊。

表1 機器人結(jié)構(gòu)參數(shù) ／mm

在Recurdyn中建立樣機模型并仿真的步驟為：建立車身樣機；建立履帶塊；組裝履帶系統(tǒng)；定義地面形狀；定義接觸參數(shù)及輸出；設(shè)置仿真參數(shù)和仿真。Recurdyn中的HM模塊對于履帶系統(tǒng)的建模已有成熟的模塊，履帶系統(tǒng)中的鏈輪、導向輪、履靴都可進行參數(shù)化建模，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，得到驅(qū)動鏈輪的公稱半徑（Recurdyn中的循環(huán)半徑）為84.73 mm，建立虛擬模型如圖1所示［1－2］。

2 硬質(zhì)路面上的動力學仿真結(jié)果

設(shè)置履帶接地面與地面的接觸參數(shù)如表2所列［3－4］。

表2 硬質(zhì)路面接觸參數(shù)設(shè)置

設(shè)置主從履帶驅(qū)動鏈輪的速度為180°／s，得到車體位置仿真結(jié)果如圖2所示?？梢钥吹?，在10 s內(nèi)，機器人前進了2 308 mm，略小于在此速度下鏈輪10 s的線位移84.73×3.14×10＝2 661 mm，說明在此硬質(zhì)路面上，履帶仍有少許彈性滑動情況存在。

同時車體速度變化曲線如圖3所示。在車體啟動階段，由于摩擦狀態(tài)不穩(wěn)定速度波動較大，4 s后保持一相對穩(wěn)定值250 mm／s，這與理論計算值3.14×84.73＝266 mm基本一致。

圖2 平地硬質(zhì)地面X向車體位置

圖3 平地硬質(zhì)地面X向 車體速度

還可得到主履帶鏈輪旋轉(zhuǎn)副的力矩如圖4所示。樣機啟動階段由于轉(zhuǎn)速低，鏈輪的負載扭矩很大。樣機進入勻速行駛階段后，鏈輪扭矩保持一相對穩(wěn)定值15～20 N·m左右，由于履帶抖動，此過程仍有扭矩突變。

從履帶系統(tǒng)鏈輪旋轉(zhuǎn)副的驅(qū)動力矩如圖5所示，設(shè)從履帶鏈輪的旋轉(zhuǎn)方向和主履帶鏈輪一致、大小相等，但從圖5可看出部分時間會出現(xiàn)負扭矩，說明這些時間段從履帶系統(tǒng)并未起到為樣機前進提供動力的作用，而是由樣機反拖動其轉(zhuǎn)動，對其反饋能量。兩履帶系統(tǒng)也沒有達到協(xié)同提供動力的目的，而是主履帶系統(tǒng)負載著從履帶系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動，這種沖擊載荷對樣機的傳動系統(tǒng)是有害的。

圖4 平地硬質(zhì)路面主履帶鏈輪轉(zhuǎn)矩

圖5 平地硬質(zhì)路面從履 帶鏈輪轉(zhuǎn)矩

同時可以得到主履帶系統(tǒng)中某一履帶塊track?linkS2的數(shù)據(jù)，tracklinkS2在履帶系統(tǒng)中的初始位置如圖6所示，位于鏈輪正上方頂部，加粗線處。

圖6 履帶塊tracklinkS2初始位置

測量仿真中該履帶塊的垂直向位置如圖7所示，可以看出tracklinkS2分別2次經(jīng)過正負最遠點，4次經(jīng)過位置0點（即XZ平面），也就是說tracklinkS2繞履帶系統(tǒng)的運動路徑旋轉(zhuǎn)了兩周。在正極限位置，曲線出現(xiàn)一定程度下凹，說明從鏈輪正上方至引導輪正上方，履帶出現(xiàn)懸垂，因此還須對拖帶輪進行調(diào)整。

對照tracklinkS2在不同時刻的位置，得到它與輪系（包括引導輪、負重輪及托帶輪）的接觸力如圖8所示。圖中tracklinkS2在1個回轉(zhuǎn)周期所受到的力出現(xiàn)了4個峰值，對照上圖可知在這4個峰值時，TracklinkS2都位于Y軸負向的極限－85 mm左右，也就是說位于履帶接地段。進一步考察它們在接地段的時間，可知前3個值分別是TracklinkS2與負重輪1、負重輪2、負重輪3的接觸力；第四個峰值是track?linkS2與引導輪初始接觸時的接觸力，此峰值之后接觸力有一段時間變化仍比較劇烈，直到tracklink的Y向位置變?yōu)檎驑O值為止，因此可以判斷這段時間內(nèi)tracklinkS2仍然與引導輪接觸，這段力正是它與引導輪的接觸力。所以引導輪與tracklinkS2剛接觸時有沖擊載荷。

圖7 平地硬質(zhì)路面tracklink－S2垂直向（Y向）位置

圖8 平地硬質(zhì)路面tracklink－S2與輪系接觸力

同時還有tracklinkS2與鏈輪的接觸力如圖9所示。該接觸力在tracklinkS2從Y向正極限位置開始進入負極限位置時有1個小峰值，之后有一段波動，到達Y向負極限位置時又出現(xiàn)了1個較大峰值，對照圖10可知這分別是tracklinkS2剛與鏈輪接觸、在鏈輪傳動中以及未脫離鏈輪接觸而進入接地段的時刻。TracklinkS2在一、三時刻受到?jīng)_擊載荷，二時刻時受到平穩(wěn)載荷。

圖9 平地硬質(zhì)路面tracklink－S2與主鏈輪接觸力

圖10 平地硬質(zhì)路面tracklink－S2與地面接觸力

從tracklinkS2與地面的接觸力如圖10所示，同樣可驗證以上結(jié)論。圖中1個回轉(zhuǎn)周期內(nèi)出現(xiàn)了5個峰值，分別對應(yīng)圖8、9的tracklinkS2與輪系及鏈輪的沖擊載荷，說明這種沖擊載荷在地面、tracklink、引導輪、負重輪、鏈輪間形成1個作用體系。

3 軟性路面上的仿真結(jié)果

以上硬質(zhì)路面數(shù)據(jù)驗證了Recurdyn對履帶車仿真的可靠性，這類數(shù)據(jù)適用于一般水泥路面、干土路面等，對于軟性路面，需要適當調(diào)整土壤參數(shù)。以下以一般粘土路面為環(huán)境對象進行仿真，這種路面多用于操場、網(wǎng)球場等柔性場面，輪式樣機在上面行駛時，極易發(fā)生沉陷打滑。

取粘土的土壤特性參數(shù)如表3所列，將這些參數(shù)寫入用戶子程序中，生成dll文件，調(diào)用此文件來模擬粘土路面［2－3］。

表3 粘土路面土壤參數(shù)設(shè)置

仿真得到樣機在粘土路面上行駛時的形態(tài)如圖11所示，可看出樣機在路面上的沉陷量較大，其中因車體重心靠后，主履帶沉陷大于從履帶，主履帶后半段沉陷量比前半段大得多，因壓力分配不均勻有可能導致履帶局部接地，履帶塊的疲勞載荷過大，降低履帶壽命，因此設(shè)計時要注意重心的合理分配。采用與硬質(zhì)路面同樣的方法，首先得到車體的位置如圖12所示。

圖11 平地粘土路面模型行駛圖

圖12 平地粘土路面X向 車體位置

樣機在10 s內(nèi)沿X方向前進了2 231 mm，略低于硬質(zhì)路面的2 308 mm，這是由于樣機的外部行駛阻力增大。樣機前進速度也有減緩如圖13所示，穩(wěn)定速度在240 mm／s左右。

得到車體的垂直位置如圖14，仿真開始后，樣機位置從初始時間的＋33 mm沉陷到－2.8 mm，而后由于履帶轉(zhuǎn)動和樣機前進，樣機位置上升至4 mm左右。也就是說，樣機穩(wěn)定行駛時，其沉陷量將保持在29 mm左右。

圖13 平地粘土路面X向車體速度

圖14 平地粘土路面Y向 車體位置

樣機前進中的主履帶系統(tǒng)鏈輪驅(qū)動力矩如圖15所示。平穩(wěn)行駛時，此扭矩保持在80 N·m左右，遠大于硬質(zhì)路面樣機行駛的負載扭矩15～20 N·m，因此在此類路面上行駛時需對馬達性能做適當調(diào)整。

從履帶系統(tǒng)鏈輪驅(qū)動力矩如圖16所示。因載荷不穩(wěn)定，該扭矩同樣出現(xiàn)負值，但與硬質(zhì)路面不同的是，穩(wěn)定行駛期間該扭矩為正值，保持在12 N·m左右，說明此時從履帶和主履帶同樣起到了驅(qū)動負載的作用。

圖15 平地粘土路面主履帶鏈輪轉(zhuǎn)矩

圖16 平地粘土路面從履帶 鏈輪轉(zhuǎn)矩

tracklinkS2的垂直Y向位置如圖17所示。相比較在硬質(zhì)路面上，其位置同樣從仿真開始后由XY平面上方轉(zhuǎn)至下方，但不同的是它在負極限位置并未保持穩(wěn)定值，而是不斷沉陷，這說明從鏈輪正下方到引導輪正下方，履帶接地段的沉陷量不同，引導輪下履帶沉陷量更大，這是由于重心位置沒有與幾何中心位置重合造成的，與行駛狀態(tài)圖所觀察到的情況一致。

tracklinkS2與輪系的接觸力如圖18所示，可以看出tracklink與負重輪的接觸力比之硬質(zhì)路面時較小，與引導輪接觸時的沖擊載荷較小，但穩(wěn)定載荷略大，在30 N左右。

tracklinkS2與鏈輪的接觸力如圖19所示，可以看出，在軟性路面行駛時，該接觸力更為平穩(wěn)，最大沖擊載荷比硬質(zhì)路面時小。

tracklinkS2與地面的接觸力也體現(xiàn)了同樣的特征，如圖20所示。由此可知因土壤性質(zhì)不同，軟性土壤情況下樣機所受的沖擊更小。

圖17 平地粘土路面tracklink－S2垂直向（Y向）位置

圖18 平地粘土路面tracklink－S2與輪系接觸力

圖19 平地粘土路面tracklink－S2與鏈輪接觸力

圖20 平地粘土路面tracklink－S2與地面接觸力

4 結(jié) 論

通過以上仿真可知，對于文中質(zhì)量為226.8 kg的復(fù)合式越障機器人來說，其在參數(shù)一定的硬質(zhì)路面上勻速穩(wěn)定行駛所需要的扭矩為15～20 N·m，在以粘土為例的軟性路面上勻速穩(wěn)定行駛所需的扭矩為80 N·m左右。但得到的這些參數(shù)都是建立在已有模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，所以適當調(diào)整結(jié)構(gòu)，改變重心位置，可提高各履帶系統(tǒng)驅(qū)動能量的利用率，降低機器人在軟性路面的不均勻沉陷，是下一步改善設(shè)計所應(yīng)該考慮的。

［1］ Functionbay.Recurdyn Users Reference Manual［Z］.2008.

［2］ 馬金猛.地面移動機器人越障動力學建模與分析［J］.機器人，2008，30（3）：273－278.

［3］ 霍 偉.機器人動力學與控制［M］.北京：高等教育出版社，2005.

［4］ 柳朝陽，陳 策.履帶車輛動力性計算的數(shù)學模型［J］.軍械工程學報，2004，16（6）：20－24.

Dynamics Analysis of Compound－Over－Obstacles Robot Based on Virtual Prototype

DING Yan，YAN Jun，WU Zhi－qiang
（Hanzhong Vocational and Technical College，Mechanical and Electronic Engineering Department，Hanzhong Shanxi 723000，China）

Based on the need of mobile robot which can adapt various structured and unstructured terrain，compound－over－ob?stacles robot is proposed and its kinematics performance is studied in this paper.First，the virtual prototype of Master／slavetracked over－obstacle robot is set up in Recurdyn according to design parameters，also the contacts between the robot and the ground（including hard and soft）are built up.The traveling state，kinematics parameters of prototype are got through simula?tion.And some suggestions for design are proposed based on simulation results.

compound－over－obstacles robot；recurdyn；hard ground；soft ground

TH12

A

1007－4414（2013）04－0052－04

2013－05－29

丁 艷（1983－），女，陜西漢中人，碩士，助教，主要從事機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的科研工作。