基于RecurDyn的4旋翼擺臂式清洗機(jī)器人設(shè)計

蘆紅利， 閆 娟

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201600)

爬壁機(jī)器人作為極限作業(yè)機(jī)器人中的一個重要結(jié)構(gòu)分支，在橋梁檢測、高樓建筑的外墻清洗等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。工作中，爬壁機(jī)器人在安全吸附的情況下，實現(xiàn)快速、平穩(wěn)地移動，而且要對凸起、凹坑和交叉面等復(fù)雜的壁面情況做出即時、有效的應(yīng)對，也是當(dāng)今爬壁機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點之一[2-3]。

國內(nèi)外關(guān)于爬壁機(jī)器人如何進(jìn)行高效越障和吸附做了長期的研究[4-5]，楊春等[6]針對如何越過壁面障礙物，設(shè)計了串聯(lián)式輪足復(fù)合式爬壁機(jī)器人，通過機(jī)器人的2足交替抬起實現(xiàn)對障礙物的跨越，但該機(jī)器人越障效率低，越障控制復(fù)雜；董寒等[7]研制的十字框架爬壁機(jī)器人，通過固定在框架上的真空吸盤交替吸附壁面進(jìn)行移動，其運動緩慢且無法跨過較高的障礙；馮偉博等[8]研究了仿尺蠖爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人具備越障能力，但因為雙足跨越式的越障方式，越障和移動速度較慢。采用吸盤方式的BPIPED式關(guān)節(jié)機(jī)器人，可以完成空間內(nèi)的移動和越障，但吸盤負(fù)載能力有限，無法提供穩(wěn)定的作業(yè)平臺；潘雷等[9]提出依靠真空泵產(chǎn)生負(fù)壓完成吸附的功能，但是當(dāng)吸附壁面環(huán)境復(fù)雜，壁面凹凸不平時，吸附的穩(wěn)定性大大下降；陳月強(qiáng)[10]設(shè)計的磁吸附履帶式攀爬機(jī)器人，可以實現(xiàn)吸附和移動功能，但是由于磁吸附使用環(huán)境限制，在越障方面的能力較差。

針對目前爬壁機(jī)器人在越障方面控制復(fù)雜、運動不連續(xù)的問題[11]，基于地面擺臂式機(jī)器人攀爬障礙物原理，課題組設(shè)計了一種基于旋翼的擺臂式爬壁機(jī)器人，對機(jī)器人越障過程進(jìn)行運動學(xué)分析，研究了旋翼電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和壁面角度變化的關(guān)系，仿真實驗對所設(shè)計的機(jī)器人越障性能進(jìn)行驗證和分析，為爬壁機(jī)器人實際開發(fā)應(yīng)用和控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)械系統(tǒng)的三維模型如圖1所示，由推力機(jī)構(gòu)、擺臂機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、車體等組成。為了實現(xiàn)機(jī)器人越障及多變化姿態(tài)， 2個擺臂均可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人主要由 7個電機(jī)驅(qū)動，其中4個驅(qū)動旋翼葉片，2個驅(qū)動機(jī)器人的左右主履帶，1個驅(qū)動左前擺臂機(jī)構(gòu)和右前擺臂機(jī)構(gòu)的共同運動。機(jī)器人上層布置的旋翼提供機(jī)器人向上行進(jìn)和越障過程中所需要的吸附力，同時，2個擺臂機(jī)構(gòu)通過套筒軸連接，使得2個擺臂機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動和2個主履帶系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運動互不干涉，從而實現(xiàn)機(jī)器人在行進(jìn)過程中對自身的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

圖1 爬壁機(jī)器人造型Figure 1 Wall-climbing robot modelling

爬壁機(jī)器人前端與牽引繩索連接，通過外接電纜來提供機(jī)器人所需的電力，使得機(jī)器人運行更加平穩(wěn)具有更大的承載能力，機(jī)器人可根據(jù)實際需求，擴(kuò)展相應(yīng)的模塊，如激光測距儀、攝像頭、紅外線熱成像儀、清洗模塊和機(jī)械手等，以滿足不同環(huán)境下，勘察、清洗墻壁、救援和反恐等不同工作的需求，機(jī)器人基本參數(shù)如表1所示。

表1 爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of wall-climbing robot

2 爬壁越障性能分析

2.1 機(jī)器人的質(zhì)心分布

如圖2所示，以機(jī)器人的履帶后輪軸心為原點，建立坐標(biāo)系xO1y，前后履帶輪軸心O1和O2的距離為l0，主車體質(zhì)心G1坐標(biāo)為(l1,h1)，機(jī)器人主車體的質(zhì)量為m1，越過障礙物時，需要2擺臂同步旋轉(zhuǎn)，設(shè)2個擺臂的質(zhì)量為m2，擺臂質(zhì)心為G2，并處于2擺臂的中心線O2O3上，履帶前帶輪軸心距擺臂質(zhì)心G2的長度為l2，假設(shè)擺臂的2個履帶輪軸心的距離為l3，2擺臂與壁面的夾角均為θ，且θ∈[0,2π]，假設(shè)機(jī)器人的寬度為b，主履帶的帶輪的半徑為R，擺臂履帶輪的半徑為r，都包含履帶的寬度，則機(jī)器人質(zhì)心G(xG,yG)的坐標(biāo)為：

圖2 機(jī)器人質(zhì)心運動軌跡Figure 2 Trajectory of center of mass of robot

(1)

機(jī)器人的質(zhì)心滿足以下的關(guān)系式：

(2)

2.2 機(jī)器人越障能力分析

爬壁機(jī)器人攀爬障礙物的過程如圖3所示。當(dāng)前方有障礙物出現(xiàn)，擺臂機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人雙擺臂逆時針旋轉(zhuǎn)，使得擺臂前端高于障礙物；然后在履帶的驅(qū)動下，行走機(jī)構(gòu)的主履帶搭靠在障礙物的外角線上，在行走機(jī)構(gòu)電機(jī)推動下，機(jī)器人繼續(xù)向前移動，擺臂機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動擺臂順時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)機(jī)器人的重心越過障礙物的外角線，機(jī)器人以此點為支點，順時針旋轉(zhuǎn)，成功攀爬上障礙物。

圖3 機(jī)器人攀爬障礙物過程Figure 3 Process of robot climbing obstacles

圖4為機(jī)器人質(zhì)心恰好跨越障礙物時外角線的狀態(tài)。當(dāng)機(jī)器人質(zhì)心為機(jī)器人質(zhì)心軌跡與障礙物外角線的垂線相切的切點時，最有利于機(jī)器人攀越障礙物。當(dāng)機(jī)器人的雙擺臂處于水平狀態(tài)時，機(jī)器人攀爬的障礙物高度為最大值。此時，機(jī)器人的仰角α和雙擺臂的擺臂角度θ關(guān)系為α+θ=2π。

圖4 攀爬障礙物時機(jī)器人質(zhì)心 跨越障礙物外角線Figure 4 Center of mass of robot crosses outer corner of obstacle when climbing obstacles forward

(3)

式中：R為主履帶的帶輪半徑；α為機(jī)器人的仰角；θ為雙擺臂的擺臂角度；H為障礙物高度；l為機(jī)器人質(zhì)心的橫坐標(biāo)；h為機(jī)器人質(zhì)心的縱坐標(biāo)。

將l=xG,h=yG代入式(3)，得到此機(jī)器人最大攀爬的障礙物高度Hmax(θ,α)。

(4)

3 爬壁機(jī)器人動力學(xué)分析

爬壁機(jī)器人動力學(xué)性能必須滿足2個條件：①爬壁機(jī)器人能夠在壁面完成行進(jìn)和越障的功能；②爬壁機(jī)器人在行進(jìn)過程中保證不會發(fā)生滑移、機(jī)器人本體反轉(zhuǎn)傾覆等失效形式。

為了實現(xiàn)機(jī)器人在壁面平穩(wěn)運行，如圖5所示，旋翼電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩MD必須克服牽引力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩ML，以及推力機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的吸附力F1和支持力形成的轉(zhuǎn)矩MX和重力轉(zhuǎn)矩MG的作用，即滿足下式：

圖5 機(jī)器人爬行模型Figure 5 Robot crawling model

(5)

式中MD為旋翼電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

壁面存在傾角，繩子拉緊時，機(jī)器人本體會產(chǎn)生一定的角度，因此使得推力機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的吸附力不等于所需要的吸附力。

ML=FQl1cosβ;

(6)

MG=GH1cosσ。

(7)

式中：G為機(jī)器人受到的重力,l1為繩索和壁面之前的距離，β為牽引力和壁面之間的夾角，H1為重心和壁面之間的豎直距離，σ為壁面和豎直平面的夾角，F(xiàn)Q為卷揚(yáng)機(jī)提供的牽引力。

(8)

MX=N1h1。

(9)

式中：FG為反作用力，h1為吸附力和支持力之間的距離。

根據(jù)式(5)～(9)，可得機(jī)器人在攀爬過程中所需旋翼電機(jī)輸出力矩：

FQl1cosβ。

(10)

4 越障運動的仿真和越障高度理論值計算

4.1 越障能力計算

機(jī)器人攀爬障礙物時機(jī)器人的主要參數(shù)為：R=60 mm，r=30 mm，l0=310 mm，l2=100 mm，l3=170 mm，m1=12 kg，m2=3 kg。以上參數(shù)代入式(2)和(4)中，當(dāng)仰角和擺臂擺角分別在(0°，60°)和(0°，360°)范圍取值時，可得H的最大值Hmax=178.6 mm。

4.2 機(jī)器人仿真測試

為了驗證機(jī)器人越障高度，針對高度不同的矩形障礙物進(jìn)行仿真，探究機(jī)器人攀爬障礙物高度最大值。

通過RecurDyn進(jìn)行仿真驗證，機(jī)器人越障仿真如圖6所示，針對175 mm、180 mm與185 mm的不同高度障礙物進(jìn)行分析表明：在通過175 mm障礙物后，機(jī)器人能夠相對快速恢復(fù)到穩(wěn)定的狀態(tài)；越過180 mm障礙物后，機(jī)器人的重心的位移波動持續(xù)較大，但最終還是能夠恢復(fù)到穩(wěn)定的狀態(tài)；當(dāng)障礙物的高度調(diào)整為185 mm時，機(jī)器人無法進(jìn)行越障。經(jīng)過多次仿真實驗確定機(jī)器人的最大越障高度為180 mm。圖7為機(jī)器人攀越不同高度障礙物的重心高度與時間的關(guān)系，實驗表明：機(jī)器人旋翼推力機(jī)構(gòu)的吸附性能良好，機(jī)器人能夠平穩(wěn)地在壁面完成爬行和越障的功能。

圖6 虛擬樣機(jī)攀爬障礙物過程Figure 6 Process of virtual prototype climbing obstacles

圖7 機(jī)器人攀越障礙物重心高度與時間關(guān)系Figure 7 Relationship between height of center of gravity of robot and time when robot climbing obstacles

5 結(jié)論

課題組為解決現(xiàn)有爬壁機(jī)器人在越障方面動作不連續(xù)和越障效率低的問題，研究了柔性擺臂越障機(jī)構(gòu)，并在機(jī)器人的運動過程中，從運動學(xué)角度，研究了雙履帶擺臂機(jī)器人的越障原理。利用擺臂的擺動，使得機(jī)器人的質(zhì)心越過障礙物的關(guān)鍵邊界線。

課題組從運動學(xué)角度分析機(jī)器人攀爬障礙物時的運動機(jī)理，并建立了機(jī)器人壁面攀爬的運動學(xué)模型，計算出機(jī)器人在不發(fā)生失效形式下旋翼電機(jī)理論輸出轉(zhuǎn)矩，并通過仿真實驗，驗證了機(jī)器人的旋翼的吸附性能，以及攀爬障礙物的能力。在此基礎(chǔ)上，課題組設(shè)計了一種基于旋翼的擺臂式爬壁機(jī)器人，為爬壁機(jī)器人的實際開發(fā)應(yīng)用和控制系統(tǒng)的設(shè)計提供基礎(chǔ)。