對(duì)抗機(jī)器人的雙叉臂懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析研究

王清清，劉彥春

(1.安徽信息工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

1959年，JF·Engelberger發(fā)明了世界上首臺(tái)工業(yè)機(jī)器人[1]，60年來，機(jī)器人技術(shù)有了長足的進(jìn)步，作為自動(dòng)化、機(jī)械制造以及AI技術(shù)的代表產(chǎn)物，機(jī)器人學(xué)融合了各類學(xué)科知識(shí)和多種前沿技術(shù)[2]，使得人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的前沿知識(shí)得到了充分利用?？梢哉f，隨著科技的飛速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)和概念已經(jīng)從科幻電影畫面中變成了書本上的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)物。

本設(shè)計(jì)源于全國大學(xué)生機(jī)器人大賽RM，其中包含了機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、電路設(shè)計(jì)、嵌入式設(shè)計(jì)、云臺(tái)控制、計(jì)算機(jī)視覺等多學(xué)科的先進(jìn)內(nèi)容，需要不同專業(yè)的隊(duì)員結(jié)合本專業(yè)的知識(shí)共同完成。在RM賽事中，存在不同的類別對(duì)抗機(jī)器人，分別是步兵機(jī)器人、英雄機(jī)器人、空中機(jī)器人，這三種機(jī)器人的工作方式均為射擊對(duì)抗，雙方均搭載壓力傳感器系統(tǒng)，通過塑料彈丸進(jìn)行攻擊。對(duì)抗機(jī)器人可以在臺(tái)階、上坡、溝壑等復(fù)雜地形的場(chǎng)地中運(yùn)行，目標(biāo)是能夠在場(chǎng)地中穩(wěn)定、快速移動(dòng)，并為相關(guān)元器件和機(jī)構(gòu)提供平穩(wěn)的運(yùn)行環(huán)境。前期調(diào)試過程中將采用2.4GHz無線遙控，后期將采用車身所搭載的激光雷達(dá)和攝像頭，從而完成機(jī)器人自主運(yùn)行。

目前，有學(xué)者利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式設(shè)計(jì)機(jī)器人懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[3]，在建立機(jī)器人的幾何坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上確定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程，并以MKR1000單片機(jī)作為控制器設(shè)計(jì)懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。也有學(xué)者基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建立考慮懸架影響的機(jī)器人整機(jī)位姿模型，并分析懸架影響對(duì)機(jī)身位姿的影響，從而在PI控制的環(huán)境下設(shè)計(jì)了機(jī)器人懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4]。

論文針對(duì)其中的步兵機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)，結(jié)合我校戰(zhàn)隊(duì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并參考國內(nèi)外相關(guān)機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于Mecanum Wheels的對(duì)抗機(jī)器人分析過程。本文采用2.4GHz遙控控制對(duì)抗機(jī)器人運(yùn)行，根據(jù)上述要求，在設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造該機(jī)器人時(shí)，必須滿足如下條件：①底盤懸掛系統(tǒng)滿足多種工況運(yùn)行條件；②元器件在滿足需求的前提下具備高度可靠性；③底盤采用模塊化設(shè)計(jì)，便于裝配、維修；④整車設(shè)計(jì)分模塊進(jìn)行，實(shí)地測(cè)試，優(yōu)化對(duì)抗機(jī)器人總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1 對(duì)抗機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)及建模

與一般的賽事機(jī)器人相比，本設(shè)計(jì)中的基于Mecanum Wheels的移動(dòng)底盤對(duì)抗機(jī)器人可適應(yīng)多種復(fù)雜地形，滿足不同工況下的運(yùn)行要求，而Mecanum Wheels是瑞典Mecanum的專利，具有高度穩(wěn)定性和拓展性[5]。由此初步確定對(duì)抗機(jī)器人的底盤系統(tǒng)框架圖(如圖1所示)。

圖1 對(duì)抗機(jī)器人移動(dòng)底盤系統(tǒng)框架圖

在完成對(duì)抗機(jī)器人的系統(tǒng)框架后，初步建立整車的模型(如圖2所示)。

圖2 對(duì)抗機(jī)器人整車模型

為了減輕車體重量，在加工材質(zhì)的選擇上，更多地選擇了輕量化的材質(zhì)，如6061鋁合金、T300碳纖維板、PLA3D打印、薄壁鈑金等，實(shí)現(xiàn)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和功能的同時(shí)，最大程度地減輕車身重量的效果。

1.2 總體設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)抗機(jī)器人性能指標(biāo)作為衡量機(jī)器人的綜合能力的重要依據(jù)，往往需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，故綜合場(chǎng)地等多種因素，得出研究對(duì)象對(duì)抗機(jī)器人的主要性能指標(biāo)如表1所示。根據(jù)對(duì)抗機(jī)器人的整體方案設(shè)計(jì)了系統(tǒng)框架，通過對(duì)抗機(jī)器人的三維建模，根據(jù)競賽任務(wù)需求，得出對(duì)抗機(jī)器人關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 對(duì)抗機(jī)器人底盤懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)抗機(jī)器人的本體是可全方位移動(dòng)的機(jī)器人，其首要的任務(wù)是能夠在充滿障礙的場(chǎng)地中靈活運(yùn)動(dòng)，快速機(jī)動(dòng)；其次則是能夠與敵方的同類機(jī)器人進(jìn)行對(duì)抗，故需要在機(jī)器人快速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)保持其穩(wěn)定性。為了提高對(duì)抗機(jī)器人的通過能力，使機(jī)器人在多變的RM戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的機(jī)動(dòng)，在保證機(jī)動(dòng)性的同時(shí)確保上層結(jié)構(gòu)和整體的穩(wěn)定運(yùn)行，并且保護(hù)車載設(shè)備和零件。本文所設(shè)計(jì)的對(duì)抗機(jī)器人底盤懸掛系統(tǒng)，可以把懸掛部分(如圖3所示)簡化為減震系統(tǒng)和減震器承載機(jī)構(gòu)共同組成。

圖3 懸掛部分整體示意圖

對(duì)抗機(jī)器人的懸掛系統(tǒng)是連接底盤與車輪的結(jié)構(gòu)，可以將輸出軸的動(dòng)力傳遞給車輪，有效緩解了在不平整的道路上運(yùn)動(dòng)所造成的車身顛簸。對(duì)于采用Mecanum輪的機(jī)器人來說，輪子本身就是不平整的，對(duì)于精密的全自動(dòng)機(jī)器人來說，包括傳感器和機(jī)器人機(jī)構(gòu)都對(duì)震動(dòng)較為敏感，大幅度的震動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞或者傳感器感知誤差增加；同時(shí)，在車身載荷分布不均勻的情況下，無懸掛系統(tǒng)的底盤會(huì)出現(xiàn)單個(gè)輪子不接觸地面所導(dǎo)致的行駛軌跡偏離的情況，故需要一套完整的懸掛系統(tǒng)來解決運(yùn)行過程中大幅度震動(dòng)的問題。

2.1 減震器承載機(jī)構(gòu)

在整個(gè)懸掛系統(tǒng)中，去除減震系統(tǒng)，剩下的部分稱為承載機(jī)構(gòu)，承載機(jī)構(gòu)的性能往往決定了機(jī)器人的懸掛性能。以雙叉臂懸掛為例，劃分其最大、靜止、最小行程(如圖4所示)。

(a)最大行程 (b)靜止行程 (c)最小行程圖4 雙叉臂懸掛行程示意圖

2.2 對(duì)抗機(jī)器人懸掛系統(tǒng)

對(duì)于20Kg級(jí)的對(duì)抗機(jī)器人而言，懸掛種類較多，包括獨(dú)立懸掛中的雙叉臂懸掛、縱臂式懸掛、橫向鉸鏈?zhǔn)綉覓?、以及非?dú)立懸掛(如圖5所示)。由于場(chǎng)地條件有限，機(jī)器人必須采用獨(dú)立懸掛才能通過各類障礙。

(a)雙叉臂懸 (b)縱臂式懸掛 (c)橫向鉸鏈?zhǔn)綉覓靾D5 對(duì)抗機(jī)器人懸掛系統(tǒng)的對(duì)比選擇

綜合整車對(duì)于通過性和離地間隙的需求(如表2所示)，本設(shè)計(jì)將采用雙叉臂懸掛。

表2 三種懸掛數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 懸掛具體參數(shù)計(jì)算及有限元分析

通過對(duì)比賽要求和場(chǎng)地的分析，得出最大重量20kg，最大尺寸600×600×500mm，場(chǎng)地最大坡度為20°，同時(shí)存在90°的懸崖，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照可以直接通過90°懸崖臺(tái)階的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)懸掛行程和各類參數(shù)。假設(shè)整車重量為20kg，90°懸崖臺(tái)階的最大高度150mm，當(dāng)整車從懸崖臺(tái)階沖出時(shí)，豎直方向的速度的計(jì)算過程為：

(1)

由公式(1)可知，t為0.174s，v1為1.71m/s。

由動(dòng)量定理可得：

Ft=mv=196.55N

為了安全起見，設(shè)計(jì)時(shí)留出20%的余量，即落地瞬間整車受到的沖擊力為235.86N，加上整車的20kg，懸掛結(jié)構(gòu)共需要承擔(dān)F總=435.86N的力，故整車采用四輪驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輪組由雙叉臂懸掛與雙負(fù)壓避震組成(如圖6所示)。

圖6 四輪獨(dú)立懸掛示意圖

假設(shè)不使用避震器，當(dāng)整車落地時(shí)，單個(gè)懸掛的叉臂(表3)受到的力為F單=54.48N，將模型導(dǎo)入有限元分析軟件Simulation中進(jìn)行分析，定義材料為6061合金，楊氏模量為6.9e+10N/m2，屈服強(qiáng)度為5.514e+007N/m2，劃分實(shí)體網(wǎng)格，并定義Jacob點(diǎn)為4點(diǎn)。

表3 單個(gè)叉臂模型及相關(guān)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受力為54.48N時(shí)，部分位置的應(yīng)力遠(yuǎn)大于鋁合金的屈服強(qiáng)度極限，此時(shí)若不采用避震器或者采用剛性懸掛，則產(chǎn)生的應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致拉桿產(chǎn)生不可逆的形變，進(jìn)而導(dǎo)致車輛在行進(jìn)過程中出現(xiàn)致命錯(cuò)誤，如結(jié)構(gòu)錯(cuò)位甚至斷裂，故需要采取措施減輕拉桿結(jié)構(gòu)所受的力，如加粗拉桿結(jié)構(gòu)，更換強(qiáng)度更高的材料，如7075鋁合金或者增加一對(duì)避震器。當(dāng)采用避震器設(shè)計(jì)時(shí)，假設(shè)避震器可以均分作用力，則拉桿所受的力為27.24N。此時(shí)需定義好固定孔以及載荷位置，方向?yàn)樨Q直向上。

3 場(chǎng)地測(cè)試過程

本設(shè)計(jì)著重于底盤的高穩(wěn)定性和通過能力，從而滿足應(yīng)用場(chǎng)景需求，故在完成樣車裝配后，需要大量真實(shí)環(huán)境下的測(cè)試(如圖7—圖10所示)。

圖7 30°坡爬坡測(cè)試

圖8 45°坡爬坡測(cè)試

圖9 40mm溝壑通過能力測(cè)試

圖10 100mm臺(tái)階下降測(cè)試

實(shí)測(cè)場(chǎng)地中的30°坡爬坡測(cè)試(如圖7所示)，樣車在通過30°坡時(shí)前后均無干涉，可以穩(wěn)定迅速通過；45°坡爬坡測(cè)試(如圖8所示)，樣車的前懸掛已經(jīng)明顯壓縮，此時(shí)樣車仍可以迅速通過該區(qū)域；40mm溝壑通過能力測(cè)試(如圖9所示)，樣車在前輪進(jìn)入到溝壑中后，前懸掛壓縮，依靠前后輪提供的動(dòng)力順利通過該處溝壑，通過能力較強(qiáng)；100mm臺(tái)階下降測(cè)試(如圖10所示)，樣車在前輪接觸地面的一瞬間，前懸掛被壓縮到最低點(diǎn)，測(cè)試后懸掛處于正常狀態(tài)，當(dāng)后輪接觸到地面時(shí)，由于重力的作用，樣車后懸掛壓縮到最低點(diǎn)，此時(shí)前懸掛迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)，通過性較好。

結(jié)語

基于MecanumWheels的對(duì)抗機(jī)器人可以較好地滿足比賽需求，結(jié)合測(cè)試過程完成以下工作。

(1)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景的需求，完成基于MecanumWheels的對(duì)抗機(jī)器人的整體需求及對(duì)抗機(jī)器人的系統(tǒng)整體框圖和總體設(shè)計(jì)方案；

(2)根據(jù)場(chǎng)景環(huán)境，通過對(duì)抗機(jī)器人獨(dú)立懸掛系統(tǒng)理論分析，設(shè)計(jì)出合理的雙叉臂獨(dú)立懸掛系統(tǒng)并對(duì)關(guān)鍵部件單個(gè)叉臂進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)場(chǎng)地尺寸完成實(shí)地測(cè)試，為上層其他系統(tǒng)機(jī)構(gòu)提供一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

本文主要對(duì)樣車進(jìn)行不同環(huán)境和運(yùn)行條件下的測(cè)試，結(jié)果基本滿足實(shí)際需求。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一定的不足之處，將在后續(xù)進(jìn)行迭代和改進(jìn)。