新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真研究*

蔣國(guó)平，諶炎輝

(1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006;2.重型車(chē)輛零部件先進(jìn)設(shè)計(jì)制造教育部工程研究中心，廣西 柳州 545006)

0 引言

爬壁機(jī)器人作為機(jī)器人產(chǎn)品的一個(gè)重要分支，憑借其能適應(yīng)高負(fù)荷的工作強(qiáng)度、惡劣的工作環(huán)境且外形相對(duì)小巧、移動(dòng)靈活等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用。其中爬壁機(jī)器人行走裝置是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種功能的首要條件和必備基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)許多研究人員對(duì)機(jī)器人輪式和足式行走裝置展開(kāi)了相關(guān)研究，宮麗男等[1]提出以甲蟲(chóng)6足結(jié)構(gòu)為摹本設(shè)計(jì)了一種6足仿生機(jī)器人,較好的提高了機(jī)器人對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性；王浩等[2-3]提出將驅(qū)動(dòng)輪與6足結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合,設(shè)計(jì)了一種6足輪腿復(fù)合機(jī)器人，有效提高了機(jī)器人對(duì)復(fù)雜地形環(huán)境的適應(yīng)力；王忠民等[4]提出一種6輪探測(cè)機(jī)器人平臺(tái)提高了礦井下搜救機(jī)器人的移動(dòng)性；王克俊等[5]提出一種由全向輪為驅(qū)動(dòng)輪的行走裝置，使得機(jī)器人可以進(jìn)行任意姿態(tài)調(diào)整；李根等[6]提出利用雙履帶為機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)并配和可調(diào)間隙式吸附機(jī)構(gòu)完成機(jī)器人爬壁功能；方春富等[7]提出了一種新型全向驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，解決了機(jī)器人在行走時(shí)因輪子周?chē)妮佔(zhàn)咏惶娼佑|地面產(chǎn)生振動(dòng),對(duì)行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的問(wèn)題；劉濤等[8]在分析傳統(tǒng)蝦形6輪機(jī)器人基礎(chǔ)上提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)后的裝置進(jìn)行了穩(wěn)定性研究；

但這些研究大多集中在剛性行走裝置的設(shè)計(jì)上，其最大的不足是剛性行走裝置不能過(guò)濾掉因路面的不平整而對(duì)機(jī)器人本體運(yùn)行穩(wěn)定性、精度等造成的影響?；趥鹘y(tǒng)爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪裝置的缺陷設(shè)計(jì)了一種具有柔性結(jié)構(gòu)的新型驅(qū)動(dòng)輪裝置。該裝置通過(guò)連接軸之間的彈性滑桿組件實(shí)現(xiàn)對(duì)由墻面產(chǎn)生的沖擊載荷進(jìn)行過(guò)濾吸收功能，保證爬壁機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)、控制精確，為新型爬壁機(jī)器人進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)，也為機(jī)器人精確控制創(chuàng)造條件。

1 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決傳統(tǒng)機(jī)器人輪式行走裝置主動(dòng)輪采取的剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，新型主動(dòng)輪采用柔性可調(diào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主動(dòng)輪主體結(jié)構(gòu)由主動(dòng)輪轉(zhuǎn)向電機(jī)軸、緊固螺栓、鎖緊螺母、外滑套、高壓彈簧、內(nèi)套桿、小型電機(jī)安裝板、電機(jī)固定套、蝸輪蝸桿減速裝置、橡膠滾輪、擋泥板組成、擋泥板直角安裝板、電機(jī)安裝座組成，如圖1所示。

圖1 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置結(jié)構(gòu)圖

其中高壓彈簧、滑動(dòng)套桿組件的存在保證了爬壁機(jī)器人在行走過(guò)程中，輪子所受的路面沖擊載荷能夠被有效吸收；驅(qū)動(dòng)輪裝置中的小型電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)的組合使用主要是給橡膠滾輪提供一個(gè)低轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定動(dòng)力；主動(dòng)輪中間的緊固螺栓、鎖緊螺母起到傳遞換向伺服電機(jī)扭矩和動(dòng)力的作用。其中內(nèi)滑桿設(shè)計(jì)為類(lèi)似花鍵的結(jié)構(gòu)，使其在具備縱向滑動(dòng)的同時(shí)還能具備橫向傳遞扭矩的功能，在裝置中實(shí)現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)向的功能，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 滑套滑桿具體結(jié)構(gòu)圖

1.2 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置工作原理

萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置工作方式主要是通過(guò)與之相連接的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)帶動(dòng)二級(jí)連接傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向動(dòng)作和任意姿態(tài)的調(diào)整，通過(guò)其中的內(nèi)滑桿、外滑套傳遞電機(jī)的扭矩。而小型直流電機(jī)通過(guò)減速機(jī)的減速及增距處理后將動(dòng)力傳輸給主動(dòng)輪滾輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿壁面行走的功能。當(dāng)爬壁機(jī)器人遇到壁面對(duì)主動(dòng)輪產(chǎn)生的沖擊載荷時(shí)，滑桿會(huì)在內(nèi)滑套中移動(dòng)，并利用高壓彈簧吸收這部分沖擊載荷，保證爬壁機(jī)器人行走穩(wěn)定性不會(huì)受到影響。

2 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置力學(xué)分析

為保證所設(shè)計(jì)的萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置能夠滿(mǎn)足使用過(guò)程中的承載要求，對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)分析。驅(qū)動(dòng)輪裝置主要受到自身重力G1、驅(qū)動(dòng)輪滾輪與圓柱墻面的摩擦力f1、墻面對(duì)主動(dòng)輪的支反力FN2的作用。驅(qū)動(dòng)輪還受到轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)提供的扭矩T1作用、機(jī)器人裝置外框軸承對(duì)驅(qū)動(dòng)輪主軸軸肩的一個(gè)壓緊力FN1的作用、爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)與墻體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的摩擦力f21并最終通過(guò)反作用力作用在驅(qū)動(dòng)輪上而墻體則會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪裝置產(chǎn)生一個(gè)反作用力f22的作用力。滾輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)將會(huì)對(duì)滾輪作用一個(gè)驅(qū)動(dòng)扭矩T2，具體受力狀態(tài)圖，如圖3所示。

當(dāng)考慮軸向受力狀態(tài)時(shí)，為保證主動(dòng)輪裝置能夠?qū)崿F(xiàn)小變形，取軸向允許變形量值Δx為0.1mm。由材料的軸向變形公式：

(1)

其中，F(xiàn)N為主動(dòng)輪軸受到的軸向內(nèi)力、L為主動(dòng)輪軸的總長(zhǎng)度此處為117mm、E為軸對(duì)應(yīng)材料的楊氏模量此處為2.1e+011Pa泊松比值為0.28、抗剪模量為7.9e+10Pa、A為驅(qū)動(dòng)輪軸圓截面面積、此處FN通過(guò)截面法易求得：

FN=FN1=FN2=KX

(2)

所選高壓彈簧的彈性系數(shù)為0.4，高壓彈簧初步調(diào)節(jié)的壓縮距離X為25mm；

(3)

可求出軸直徑d的范圍值，代入數(shù)值求得d11大于等于15.277mm。當(dāng)考慮彎矩的作用下的受力狀態(tài)時(shí)，通過(guò)所選電機(jī)的具體型號(hào)及工作參數(shù)求得主動(dòng)輪的對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)力矩，由驅(qū)動(dòng)力矩公式：

(4)

可求出對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)力矩T1、T2；主動(dòng)輪所分配的重量G1等于G/12其中總重G為10.868kg。橡膠滾輪與混凝土墻面之間的摩擦力f3等于μ與FN2的乘積，其中μ取值為0.4。由彎曲正應(yīng)力公式：

(5)

由于X1與σ成正比關(guān)系,當(dāng)X1等于R等于d/2時(shí)σ達(dá)到最大值：

(6)

由彎曲切應(yīng)力公式：

(7)

此處圓形截面的主動(dòng)輪軸的靜矩SZ為d3/12，代入已知數(shù)值求得d22大于等于15.766mm。

當(dāng)考慮受扭狀態(tài)時(shí)，由扭矩公式：

(8)

代入數(shù)值求得d31大于等于12.433mm。

為保證主動(dòng)輪在多種受力狀態(tài)下均能滿(mǎn)足強(qiáng)度使用要求取d的求解相對(duì)最大值并取整數(shù)，所以萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪主軸最小處直徑設(shè)計(jì)為16mm滿(mǎn)足強(qiáng)度使用要求。

圖3 主動(dòng)輪受力簡(jiǎn)圖

3 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置靜力學(xué)仿真

為了對(duì)爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪承載能力及受力分析過(guò)程進(jìn)行直觀(guān)驗(yàn)證，利用有限元軟件Workbench進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析。為減少有限元后處理的計(jì)算工作量，對(duì)主動(dòng)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。將滑動(dòng)套桿處及其兩端的螺栓連接觸進(jìn)行剛化處理。直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分通過(guò)蝸輪蝸桿傳遞扭矩至主動(dòng)輪滾輪處，可將扭矩作用載荷直接加載至主動(dòng)輪并略去電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)部分的具體結(jié)構(gòu)。將簡(jiǎn)化后的主動(dòng)輪三維模型保存為IGES格式，并導(dǎo)入到Workbench的geometry中，然后進(jìn)行材料的選擇、網(wǎng)格的劃分，在重點(diǎn)受力部位、形狀突變處進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化處理。并根據(jù)前面的受力分析完成對(duì)有限元模型的加載處理，最后進(jìn)行有限元求解，得到主動(dòng)輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D，如圖4所示。

(a) 總變形圖

(b) 應(yīng)力云圖

(c) 應(yīng)變?cè)茍D 圖4 主動(dòng)輪有限元求解圖

通過(guò)有限元仿真發(fā)現(xiàn)主動(dòng)輪主軸的變形顯示為深藍(lán)色，幾乎無(wú)變形；滾輪選用的為橡膠材質(zhì)，擋泥板選用的為塑料材質(zhì)，受到擠壓力的作用有略微變形，但是都在安全范圍內(nèi)滿(mǎn)足強(qiáng)度使用要求；主動(dòng)輪最大應(yīng)力為1.712e6Pa，最大應(yīng)變?yōu)?.6509均在安全工作范圍內(nèi)。通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D發(fā)現(xiàn)萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪主軸能夠承受住工作過(guò)程中的載荷影響，滿(mǎn)足爬壁機(jī)器人正常使用需求，也因此驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)輪力學(xué)理論分析的正確性。

4 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為了對(duì)新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置抵抗輪子與路面之間沖擊載荷的能力進(jìn)行驗(yàn)證，將萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。為了減少軟件不必要的計(jì)算量，對(duì)萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，略去了驅(qū)動(dòng)輪裝置上的小型直流電機(jī)、蝸輪蝸桿減速裝置，直接將其輸出動(dòng)力添加到滾輪的驅(qū)動(dòng)軸上，保證了略去的部分結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響。本次仿真實(shí)驗(yàn)分別對(duì)傳統(tǒng)無(wú)滑動(dòng)套桿結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)和所設(shè)計(jì)的新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析對(duì)比。

圖5 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪約束圖

首先對(duì)簡(jiǎn)化后的新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪模型進(jìn)行各零件的材料設(shè)定，其次添加對(duì)應(yīng)約束。在設(shè)置中將路面與ground進(jìn)行固定，主動(dòng)輪長(zhǎng)連接軸與滑套零件、滑桿零件與主動(dòng)輪連接頭部分、連接頭與擋泥板之間、擋泥板與主動(dòng)輪連接軸之間均進(jìn)行固定約束，使其成為一個(gè)剛體。在滾輪與主動(dòng)輪連接軸之間添加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副約束，并施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。對(duì)滾輪與地面之間施加碰撞力，并設(shè)定好靜摩擦系數(shù)值及動(dòng)摩擦系數(shù)值。給萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置添加一個(gè)沿路面行走的初速度，此處將值取為1000mm/s。在兩組對(duì)比仿真試驗(yàn)中，將新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪一組中的滑套零件與滑桿零件之間添加滑動(dòng)副約束和添加高壓彈簧，其中彈簧材料剛度系數(shù)取為1.0e008、阻尼系數(shù)取為0.2。傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪一組則將其約束設(shè)置為實(shí)際使用時(shí)的剛性連接，用來(lái)模擬普通輪子運(yùn)行情況。通過(guò)對(duì)兩組分別進(jìn)行動(dòng)力仿真，并進(jìn)行后處理得到了萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪Y向即垂直地面方向的速度、加速度、高度變化值、角速度、角加速度變化特性曲線(xiàn)。

如圖6所示，實(shí)線(xiàn)表示所設(shè)計(jì)的萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置長(zhǎng)連接軸Y向高度變化，虛線(xiàn)表示傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪裝置的Y向高度變化圖像。從圖像易知當(dāng)運(yùn)行到0.38s的時(shí)候，裝置運(yùn)行至路面凹坑處，兩裝置都出現(xiàn)了Y向負(fù)位移，負(fù)位移值為2.25mm。由于所設(shè)計(jì)的新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置采用滑桿、滑套和高壓彈簧組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在通過(guò)凹坑處時(shí)，受重力作用影響，滑套并未沿著滑桿下滑，而是與另一組傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪裝置一樣的高度變化，剛好證明了高壓彈簧在新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置中起到了有效支撐作用。

圖6 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置運(yùn)動(dòng)Y向高度變化對(duì)比圖

由圖7得到兩組裝置的速度對(duì)比特性曲線(xiàn)，在兩組裝置沿路面行進(jìn)過(guò)程中其Y向速度都大致相等，但在0.38s處速度出現(xiàn)突變，實(shí)線(xiàn)表示的新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪速度最大值約50mm/s比虛線(xiàn)表示的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪最大速度值約110mm/s突變值縮小近50%。

圖7 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置運(yùn)動(dòng)Y向速度變化對(duì)比圖

由圖8得到裝置在0.38s經(jīng)過(guò)路面凹坑處實(shí)線(xiàn)表示的新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置Y向加速度值約為5e+004，虛線(xiàn)表示的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪加速度值為3.5e+005，Y向加速度比普通裝置縮小了7倍，其余時(shí)刻加速度曲線(xiàn)相差不大。由圖9得到兩裝置Y向角速度均穩(wěn)定在0值裝置始終保持直線(xiàn)前行，與實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況相符合。由圖10得到兩組實(shí)驗(yàn)裝置的角加速度特性曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)比明顯發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝置通過(guò)路面凹坑處時(shí)間為0.38s時(shí)，實(shí)線(xiàn)表示的新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置Y向角加速度近似為0，虛線(xiàn)表示的傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪值較大，且波動(dòng)范圍也較大。通過(guò)對(duì)新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置、和傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪裝置進(jìn)行ADAMS虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，由仿真結(jié)果很明顯可以得到結(jié)論，新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置速度、加速度、角加速度特性曲線(xiàn)均優(yōu)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪裝置。新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，其中的滑桿、滑套、高壓彈簧組合機(jī)構(gòu)有效吸收了路面的沖擊載荷。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了新型萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，及運(yùn)動(dòng)的可行性。

圖8 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置運(yùn)動(dòng)Y向加速度變化對(duì)比圖

圖9 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置運(yùn)動(dòng)Y向角速度變化對(duì)比圖

圖10 萬(wàn)向驅(qū)動(dòng)輪裝置運(yùn)動(dòng)Y向角加速度變化對(duì)比圖

5 結(jié)論

在對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性缺陷進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種由滑桿、滑套與高壓彈簧構(gòu)成的新機(jī)構(gòu)，并將其應(yīng)用于新型驅(qū)動(dòng)輪裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)新型驅(qū)動(dòng)輪裝置進(jìn)行了有限元仿真分析，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的新型驅(qū)動(dòng)輪裝置結(jié)構(gòu)能夠承受工作載荷的影響，滿(mǎn)足強(qiáng)度使用要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)對(duì)主動(dòng)輪裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，分析結(jié)果表明新裝置將Y向沖擊力縮小了7倍有效過(guò)濾了路面激勵(lì)影響，確保了裝置工作的穩(wěn)定性。研究為后期新型行走機(jī)器人的研制及開(kāi)發(fā)提供理論參考依據(jù)。