關(guān)節(jié)履帶式核應(yīng)急機器人攀爬臺階穩(wěn)定性分析*

周 龍，鄒樹梁，張 德

(1.南華大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001；2.核設(shè)施應(yīng)急安全技術(shù)與裝備湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421001)

0 引言

在核環(huán)境非結(jié)構(gòu)化地形進行應(yīng)急處理，核應(yīng)急機器人的應(yīng)用極為重要。而非結(jié)構(gòu)化地形一般指包含坡面、溝壑等起伏不平、復(fù)雜且不規(guī)則的地形(如：福島核事故由海嘯、地震等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)化環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙Y(jié)構(gòu)化環(huán)境)，因此，對機器人適用性、通過性要求很高?？紤]到核環(huán)境的復(fù)雜性，為高效、及時的提供參考信息[1]，核應(yīng)急機器人的行走系統(tǒng)必須具備良好的抗輻射性能、穩(wěn)定性及強越障能力。而對機器人的行走系統(tǒng)而言，其強越障性、穩(wěn)定性以及良好的機動性是決定其行走系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)?？紤]到地形的因素，核應(yīng)急機器人多采用履帶式移動機構(gòu)[2]，且履帶式機器人無論是從速度、越障能力、機構(gòu)復(fù)雜程度或是能量消耗、控制難度等方面都有一定的優(yōu)勢[3-4]。

履帶式機器人越障穩(wěn)定性一般受機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)境條件等多方面的影響[5-6]，其結(jié)構(gòu)參數(shù)也對機器人跨越非結(jié)構(gòu)化地形的能力有較大影響。為進一步提高機器人的越障性能，國內(nèi)外的專家學(xué)者越障性能分析、傾翻穩(wěn)定性分析等方面進行了相關(guān)的研究[7-9]。當(dāng)前，已有不少專家對擺臂機器人的運動特性、穩(wěn)定性、強越障性進行了相關(guān)研究。但大多數(shù)只是其結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析，其強越障性、穩(wěn)定性、傾覆性能的分析和越障動作規(guī)劃等方面仍存在不足。故分析機器人在涉及臺階、臺階等典型地形的越障機制，確定越障性能最佳時機器人質(zhì)心運動軌跡、擺臂的空間位姿，規(guī)范其動作的行為性極其重要。

本文結(jié)合核環(huán)境下非結(jié)構(gòu)化地形的關(guān)鍵特征，建立一種關(guān)節(jié)履帶式核應(yīng)急機器人模型，通過理論分析研究機器人在非結(jié)構(gòu)化地形環(huán)境的越障能力，調(diào)整機器人相關(guān)參數(shù)提升其穩(wěn)定性，并利用多體動力學(xué)軟件RecurDyn進行仿真驗證。

1 關(guān)節(jié)履帶式核應(yīng)急機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合核環(huán)境應(yīng)急要求，履帶式機器人需滿足體型小、重量輕、穩(wěn)定性強以及空間運動可達性高等要求。而履帶式機器人一般采用三種形式，即雙履帶式、四履帶式、六履帶式。其中，雙履帶式結(jié)構(gòu)簡單但穩(wěn)定性差；六履帶式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強但結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易控制，且成本高；故采用四履帶式(關(guān)節(jié)履帶式)結(jié)構(gòu)，既可保證其穩(wěn)定性且結(jié)構(gòu)緊湊。

圖1 關(guān)節(jié)履帶式核應(yīng)急機器人三維模型

機器人兩擺臂置于機器人主體前端，當(dāng)需要跨越障礙物或攀越臺階時由兩臺電機分別進行控制，用以改變機器人的運動姿態(tài)，輔助機器人完成越障功能。機器人主體后部裝有兩臺驅(qū)動電機分別用以控制機器人兩側(cè)驅(qū)動輪完成前行、倒車、轉(zhuǎn)彎等空間運動。機器人主體平臺后部安裝控制系統(tǒng)、蓄電池等，主體前部安裝通信系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)安裝在機器人主體外部，用以收集外部環(huán)境信息便于控制機器人運行。

表1 關(guān)節(jié)履帶式核應(yīng)急機器人參數(shù)

2 機器人越障能力分析

2.1 質(zhì)心軌跡分析

建立機器人空間坐標(biāo)系xO1y(如圖2所示)，假定主履帶輪心O1、O2的間距為l0，質(zhì)量為m1，質(zhì)心G1坐標(biāo)為(l1，h1)；兩擺臂的質(zhì)量為m2，O2、O3為擺臂后輪和前輪的輪心，其質(zhì)心為G2，且G2O2的長度為l2，O2O3之間的距離為l3，擺臂擺角為θ且θ[0，2π]，主履帶輪半徑為r1，擺臂前履帶輪半徑為r2(r1、r2包含履帶的厚度)，機器人寬度為b，則機器人的質(zhì)心G(xG，yG)的坐標(biāo)為：

圖2 關(guān)節(jié)履帶式核應(yīng)急機器人質(zhì)心軌跡

(1)

關(guān)節(jié)履帶式核應(yīng)急機器人的質(zhì)心滿足以下關(guān)系：

(2)

式中：m1為主履帶以及箱體部分質(zhì)量；l1為主履帶以及箱體部分質(zhì)心橫坐標(biāo)值；m2為機器人擺臂部分質(zhì)量；l2為擺臂質(zhì)心到其輪心的距離；θ為機器人擺臂擺角；h1為主履帶以及箱體部分質(zhì)心縱坐標(biāo)值。

結(jié)合擺臂運動(擺角θ的變化)的影響，質(zhì)心軌跡是圓心O坐標(biāo)為

2.2 攀越臺階

攀越臺階是判斷機器人越障性能的重要指標(biāo)[10]。其攀越臺階過程如圖3所示。

圖3 機器人攀爬臺階過程圖

當(dāng)機器人質(zhì)心軌跡的切線與臺階的外角線的垂線共線且質(zhì)心為切點，此時機器人攀爬臺階最為適宜。當(dāng)O2O3處于水平方向時，機器人越障高度為極限高度，機器人擺臂擺角θ與機器人仰角α滿足：α+θ=2π。

將l1=xG，h1=yG代入

H(l1，h1，α)=r1+(l1-h1tanα)sinα-r1/cosα，

即

H(θ，α)=r1+xGsinα+yGcosα-(yG+r1)/cosα，故機器人攀爬的極限高度為Hmax(θ，α)。

式中：α為機器人仰角；θ為機器人擺臂擺角；xG為機器人質(zhì)心橫坐標(biāo)值；yG為機器人質(zhì)心縱坐標(biāo)值；r1為主履帶輪半徑；h1為主履帶以及箱體部分質(zhì)心縱坐標(biāo)值。

圖4 機器人攀越臺階時質(zhì)心軌跡

3 機器人越障仿真分析

為驗證關(guān)節(jié)履帶式核應(yīng)急機器人樣機攀爬臺階的能力，在RecurDyn的LM模塊中建立虛擬樣機模型，進行樣機試驗。

機器人在運行過程中受到外力與內(nèi)力的影響，尤其是底盤系統(tǒng)中各部件之間的摩擦力。綜合考慮，參閱相關(guān)文獻資料，選取各部件的摩擦系數(shù)為0.05。以常規(guī)核用場所的路況為模板，設(shè)置仿真路面環(huán)境。履帶板與路面接觸參數(shù)如表2所示。

圖5 機器人攀爬臺階過程圖

表2 履帶板與路面接觸參數(shù)

圖6 攀爬過程中速度變化圖

攀爬過程中，機器人從5.06 s開始速度呈現(xiàn)周期性變化趨勢。結(jié)合圖7可知，機器人受橫向運動干涉較少，而此時機器人底盤完全脫離地面，故可能是由于運動過程中伴隨著一定程度的打滑現(xiàn)象對機器人的運行速度產(chǎn)生了影響，應(yīng)使用較為合適的履帶以增強摩擦力或增加張緊裝置預(yù)防打滑現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖7 攀爬過程質(zhì)心位移變化圖

故為改善此種情況可選取花紋較深履帶增大摩擦力，應(yīng)用張緊裝置既可避免機器人打滑現(xiàn)象的出現(xiàn)，也可有效的在非穩(wěn)定的情況下對張力進行調(diào)節(jié)。一般來說，張緊裝置置于首尾端，則懸掛壓縮量大，履帶張力較低；而為保證各種工況下履帶能穩(wěn)定運行，施加過高的預(yù)緊力，這樣會大幅增加履帶功率損耗，降低行駛系統(tǒng)的使用壽命。結(jié)合關(guān)節(jié)履帶式核應(yīng)急機器人的結(jié)構(gòu)布局，故選取增加張緊輪用以調(diào)節(jié)張緊力，且需將張緊輪置于履帶架中心位置，從而解決了履帶張力過低的現(xiàn)象，也避免了施加過高的預(yù)緊力(注：臺階高度為200 mm，寬度為280 mm)。

分析機器人擺臂驅(qū)動輪驅(qū)動力矩變化可知，機器人擺臂在攀爬過程中受到過較大沖擊，分別發(fā)生在機器人主履帶接觸臺階、主履帶即將離開水平路面、機器人完全運行在臺階上。在機器人地盤與臺階邊緣直接接觸時，由于擺臂運動不同步從而導(dǎo)致機器人受到較大沖擊，而在機器人實際運行過程中，擺臂分別由不同的驅(qū)動電機驅(qū)動控制，可進一步調(diào)整或者利用張緊裝置以減少、避免此類沖擊現(xiàn)象的產(chǎn)生。

機器人在攀爬過程中，質(zhì)心在機器人調(diào)整擺臂過程中必然發(fā)生變化，又考慮到機器人質(zhì)心軌跡半徑rO=m2l2/(m1+m2)的圓，結(jié)合(2)式可知，當(dāng)忽略剛性條件的影響時，可通過降低機器人擺臂重量占總體重量的比值或者擺臂質(zhì)心的位置，降低機器人質(zhì)心的變化范圍，提高機器人的越障穩(wěn)定性。

圖8 兩側(cè)擺臂驅(qū)動輪驅(qū)動力矩

4 結(jié)論

1)提出了一種關(guān)節(jié)履帶式核應(yīng)急機器人的設(shè)計，并分析了該機器人在攀越臺階過程中質(zhì)心軌跡變化，得出機器人攀越臺階的極限數(shù)據(jù)，并分析得出了提高穩(wěn)定性的調(diào)整方法。

2)對機器人攀爬臺階的穩(wěn)定性進行了理論分析，并通過仿真驗證了機器人的穩(wěn)定性，為研究核環(huán)境非結(jié)構(gòu)化地形條件下機器人越障穩(wěn)定性提供了參考。