可重構式車輪機構研究與設計

陳 華，郭家偉，談 波，韓飛坡

(馬鞍山學院 機械工程系，安徽 馬鞍山 243100)

可移動機器人已經(jīng)面世多年，毫無疑問，他們在工農業(yè)、醫(yī)療、服務等行業(yè)得到了廣泛應用[1-2]。然而，在城市道路及建筑物內，克服階梯障礙仍然是可移動機器人面臨的巨大挑戰(zhàn)。要完成城市救援、貨物搬運醫(yī)療服務等任務，必須具備攀爬階梯的能力。由于階梯的形狀、材料及尺寸等不盡相同，此外還必須滿足平地移動與階梯攀爬兩種模式的切換，同時還需兼顧攀爬階梯的速度及穩(wěn)定性要求，造成可移動機器人攀爬機構的設計較復雜。陳長征等人[3]針對復雜的救援環(huán)境，設計了一種基于平行四邊形結構的可變性的履帶式移動機器人，該機器人具有較強的越障能力，攀爬穩(wěn)定，可根據(jù)運行環(huán)境采取不同的運動方式。

目前研發(fā)較為成熟的可移動越障機器人主要有三大類[4-5]：履帶式、輪履式及輪腿式。履帶式移動機器人越障性能主要體現(xiàn)在其具有良好的穩(wěn)定性，缺點在于攀爬效率低、重量大、功率消耗較大，主要應用于一些重載場合。陳長征等人[5]針對復雜的地理環(huán)境，設計了一種具有平行四邊形結構的可變形履帶機器人，并通過越障實驗驗證了該機器人能根據(jù)運行環(huán)境采取不同的運動方式，具有很強的越障能力。Matsubara H團隊[6]開發(fā)了一種被動式自適應履帶機器人，該機器人裝配有環(huán)境測量機械手，通過演示實驗驗證了其具有良好的越障性。輪式移動機器人通過車輪的滾動來實現(xiàn)越障任務，結構及控制系統(tǒng)簡單，Saeedi M團隊[7]提出了一種非完整輪式移動機器人的運動學模型和控制策略，采用計算機視覺構建路徑跟隨，通過路徑跟隨器、傳感器及轉向模糊控制器實現(xiàn)平地移動與攀爬運動模式切換。馬澤潤等人[8]設計了一種六足輪腿式移動機器人，分析建立了該機器人越障高度與機構尺寸間的數(shù)學關系，通過仿真實驗驗證了該機器人具有良好的越障能力。李力[9]在傳統(tǒng)的單一輪式結構基礎上設計了一種新型的具有強越障能力的多功能六足腿式爬行機器人，提出了以增材制造技術裝備單輪輻式輪腿式機構，結合昆蟲在自然界中穩(wěn)定爬行的特點，設計了中間寬兩頭窄的機身結構，并通過自制的樓梯測試機器人的極限越障能力。Sun T團隊[10]針對四足機器人在準靜態(tài)爬樓軌跡規(guī)劃算法和四腿協(xié)調策略進行了研究，并對機器人腿和樓梯之間的幾何相互作用進行了分析，驗證了該四足機器人爬樓過程中的穩(wěn)定性及效率。

本文設計了一種可重構式車輪機構，該機構既可以以圓形車輪模式在平地移動，也可以以輪腿式車輪模式攀爬障礙物。

1 臺階參數(shù)模型建立

本文所研究的可重構車輪應用于臺階攀爬，因此選取連續(xù)臺階作為應用對象，建立了如圖1所示的臺階參數(shù)模型。臺階幾何形狀由臺階坡度i、臺階踏步高度h及臺階踏步寬度s決定。根據(jù)國家標準GBJ101-87中有關臺階參數(shù)的規(guī)定：臺階坡度∝≤38°，臺階踏步高度h的取值范圍為14mm?h?210mm，樓梯踏步寬度s的取值范圍為220mm?s?320mm，且推薦s取值為220mm、240mm、260mm、280mm、300mm、320mm，標準中規(guī)定2h+s≤600mm。

圖1 臺階參數(shù)模型

攀爬臺階需要滿足兩個條件：①車輪半徑r不小于臺階踏步高度h，即r≥h；②車輪半徑r不大于臺階踏步寬度s，即r≤s。當遇到臺階踏步高度大于車輪半徑r時，在不影響正常行駛條件下，可通過機構重組來擴展車輪半徑以完成臺階攀爬動作。

由攀爬條件可知，車輪半徑的大小決定了所能攀爬臺階的尺寸，選取臺階極限高度值作為名義尺寸，如表1所示。當在平地或者障礙物高度小于名義尺寸1規(guī)定的h值時，車輪以圓形車輪模式前進；當障礙物高度介于名義尺寸1和名義尺寸2規(guī)定的h值時，機構進行重組，車輪以輪腿式模式攀爬工作。

表1 臺階名義尺寸

2 可重構車輪關鍵結構設計

2.1可重構車輪參數(shù)模型建立

圖2所示為可重構車輪參數(shù)模型。當在平坦路面或遭遇臺階高度h≤140mm時，車輪以O為轉動中心的圓形車輪前進，其中圓形車輪半徑OA=140mm；當遭遇高度h>140mm的臺階時，車輪三個輪輻繞各自旋轉中心(圖2中C、D、E)旋轉，三個輪輻機構進行重組，重組后將以輪腿式車輪攀爬臺階，其中輪腿式車輪的半徑OA1=190mm。

圖2 可重構車輪參數(shù)模型

2.2 功能尺寸計算

圖3所示為可重構車輪功能尺寸圖。

圖3 可重構車輪功能尺寸圖

由圖3及車輪機構重組過程分析可知：車輪擴徑比φi計算公式如(1)所示。

(1)

其中R為有效越障半徑，且R=LCA1+LOC，r=OA=140mm

在ΔOAC中，由勾股定理可列出公式(2)。

LOC2=LAC2-r2

(2)

取車輪機構重構中間過程進行分析，在ΔOFC中運用余弦定理可列出公式(3)。

LFC2=LOF2+LOC2-2LOE·LOC·cosθ

(3)

其中LFC=LAC，θ由0°旋轉到90°，取逆時針為正方向，則聯(lián)立式(2)和式(3)可列出公式(4)。

r2+LOC2=LOE2+LOC2-2LOE·LOC·cosθ

(4)

其中r≤LOF≤R，將極限位置值，即θ=0°、r=140mm、LOF=R=210mm代入公式(4)中，計算可得LOC=43.4mm。

輪輻旋轉角α計算公式如(5)所示。

α=180°-acrtan(r/LOC)

(5)

代入r、LOC值，由公式(5)計算可得α=107°。

2.3 可重構車輪機構原理分析

根據(jù)可重構車輪功能尺寸建立如圖4所示的機構運動簡圖。內驅盤圓周加工有三個轉軸，轉軸與內驅盤固定連接轉軸間距均為120°；外驅盤圓加工有三個圓柱形滑塊，滑塊均與外驅盤固定連接，滑塊間距均為120°；三個輪輻均與相對應的輪轂固定連接，輪轂端部制成階梯狀；三個輪輻上均開有導軌槽，圓柱形滑塊可在導軌槽內滑動，導軌槽形狀由導軌曲線決定。

圖4 可重構車輪機構運動簡圖

可重構車輪工作原理如下：

(1)當障礙物或臺階高度h≤140mm，此時內驅盤以角速度ω1順時針轉動，外驅盤保持不動，車輪以圖4(a)所示的圓形車輪模式前進。轉軸與內驅盤中心距離為d；滑塊與內驅盤中心距離為D；根據(jù)力矩平衡公式可列出公式(6)。

F×r=F1×d+F2×D

(6)

式中：F為外載荷，r為圓形車輪半徑。

(2)當障礙物或臺階高度h>140mm，車輪以圖4(b)所示的輪腿式車輪模式攀爬障礙。此時內驅盤固定不動，外驅盤以ω2順時針轉動，滑塊在導軌槽內滑動，在滑塊推動下，輪轂繞轉軸轉到預定位置，完成車輪機構重組。

2.4 變形輪關鍵結構設計

由可重構車輪機構運動簡圖分析可知，當內驅盤相對固定時，外驅盤轉動，與外驅盤固接的滑塊推動輪輻繞內驅盤轉軸旋轉，完成機構重組。換言之，可重構車輪機構重組的關鍵在于滑塊的運動軌跡?；瑝K在導軌槽內的運動為復合運動，一方面以轉軸為旋轉中心進行轉動，另一方面隨外驅盤轉動，為便于加工導軌槽，必須精確繪制出導軌曲線。采用相對運動法推導導軌曲線：假設內驅動盤固定，外驅盤以繞其中心順時針旋轉，輪輻以繞轉軸中心順時針旋轉，則滑塊質心點在輪輻表面劃過軌跡即為導軌曲線。

運用ADAMS動力學仿真軟件[11-12]追蹤滑塊的運動軌跡，具體過程如下所述。

(1)在ADAMS軟件界面下建立可重構式車輪機構仿真模型，仿真模型如圖5所示。設置各構件的質量及材料屬性。

(2)添加如圖5所示的各構件間的旋轉副、固定副，轉軸處和外驅盤質心處添加驅動，令驅動轉速ω=90d/s。

(3)創(chuàng)建接觸，在三個輪輻上添加接觸并設置接觸屬性。

(4)選取外驅盤質心作為坐標原點并建立坐標系。

(5)設置傳感器，當兩個輪輻接觸時，則仿真停止。

(6)將仿真時間設為1.5s，進行仿真。

(7)滑塊質心點在輪輻表面生成的導軌曲線如圖5所示，導出滑塊質心點運動軌跡測量數(shù)據(jù)。

圖5 導軌曲線測量

根據(jù)導出的滑塊質心點運動軌跡數(shù)據(jù)加工導軌槽，滑塊質心點運動軌跡數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 滑塊質心運動軌跡數(shù)據(jù)

3 可重構車輪動力學仿真分析

在SOILDWORKS三維環(huán)境下建立可重構車輪實體模型，添加各構件之間的約束并進行裝配，可重構車輪實體模型如圖6所示。

圖6 車輪實體模型

將裝配完成的車輪機構導入ADAMS動力學軟件，設置構件材料及質量屬性，并對其添加驅動，在ADAMS/View環(huán)境下，設置仿真時長，對車輪機構進行仿真試驗，驗證可重構車輪的攀爬效率及穩(wěn)定性，仿真驗證結果如圖7所示。

圖7 可重構車輪角加速度變化曲線

圖7所示為可重構車輪在攀爬臺階過程中的角加速度變化曲線，從曲線變化規(guī)律可知，可重構車輪攀爬7級臺階所用時間為7秒，平均每級臺階攀爬所用時間為1秒，即臺階攀爬效率為1級/秒，爬樓效率較高。

在攀爬臺階過程角加速度最大值600deg/sec2，且在由低一級臺階向高一級臺階攀爬瞬間，角加速度存在較大突變，引起較大振動，攀爬穩(wěn)定性不足。

4 結論

本文提出了一種可用于攀爬臺階的可重構式車輪，通過內外盤的相對運動可實現(xiàn)車輪三個輪輻機構的重組，以完成平地運動模式與臺階攀爬模式的切換。運用ADAMS動力學仿真平臺對可重構車輪的攀爬性能進行了仿真試驗，試驗結果表明：

(1)可重構車輪可在7秒時間內攀爬7級臺階，臺階攀爬效率為1級/秒，攀爬效率較高；

(2)可重構車輪在攀爬臺階過程中，角加速度存在突變，穩(wěn)定性不足，這也是今后需要深入研究及改進的方面。