履帶式被動自適應(yīng)機(jī)器人的通過性研究

孫凌宇，李慶翔，劉肖雅，李鑫寶，李志龍

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300000）

0 引言

近幾年來，全球恐怖襲擊、地震災(zāi)害、爆炸事件、房屋倒塌、核泄漏等危險(xiǎn)災(zāi)害環(huán)境頻繁發(fā)生，如何在最短的時(shí)刻內(nèi)營救出被困的幸存者一直都是世界各國重視的問題，并成為不斷深入研究的課題。隨著科技的快速發(fā)展，在危險(xiǎn)災(zāi)害事件的救援任務(wù)中機(jī)器人起到深遠(yuǎn)的影響和重要作用[1，2]。危險(xiǎn)災(zāi)害現(xiàn)場是非結(jié)構(gòu)化地形環(huán)境，要求機(jī)器人能夠自適應(yīng)于地形環(huán)境，具有良好的通過性能，對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行信息采集。目前國內(nèi)外針對機(jī)器人的越障性能進(jìn)行研究并應(yīng)用于危險(xiǎn)災(zāi)害環(huán)境中，并取得了良好的效果，提高了救援的工作效率。例如：日本宇航中心、梅基大學(xué)等研發(fā)出一款Micro5機(jī)器人[3]，被動自適應(yīng)于地形，具有較強(qiáng)的通過性；韓國全北國立大學(xué)提出了CALEB-2機(jī)器人[4，5]，調(diào)節(jié)履帶的形狀，從而越過障礙；日本京都大學(xué)設(shè)計(jì)出一種蛇形的KOHGA3的地面救援機(jī)器人[6，7]，之后Tadokoro教授發(fā)明了一種Quince小型救援機(jī)器人，和兒童的玩具車相差無幾，安裝有四組行走機(jī)構(gòu)和六個(gè)電機(jī)；哈工大研制了一款井下探測機(jī)器人[8]，設(shè)計(jì)為三節(jié)關(guān)節(jié)履帶式；中國科學(xué)院沈陽自動化研究所設(shè)計(jì)出NEZA-I機(jī)器人[9～11]，是一種輪-履復(fù)合式機(jī)器人。

根據(jù)以上分析，總結(jié)越障機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，履帶式越障機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境下越障能力較強(qiáng)。本文提出了一種履帶式被動自適應(yīng)機(jī)器人，如圖1所示，行走機(jī)構(gòu)采用的是一種欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)，沿著阻力最小的方向運(yùn)動，能夠自適應(yīng)于地形。以履帶式被動自適應(yīng)機(jī)器人幾何模型為研究對象，在RecurDyn多體動力學(xué)仿真軟件中低速履帶模塊（Track-LM）對其進(jìn)行仿真，建立典型障礙物的地面模型，尋找最大通過性，并確定影響通過性的相關(guān)參數(shù)；加工零件組裝樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證機(jī)器人的通過性，為進(jìn)一步改善機(jī)器人的通過性能提供了理論基礎(chǔ)。

圖1 履帶式被動自適應(yīng)機(jī)器人

1 基于RecurDyn的仿真模型建立

RecurDyn（Recursive Dynamic）是由韓國FunctioBay公司基于遞歸算法開發(fā)出的新一代多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件[12]。在RecurDyn動力學(xué)仿真軟件中建立機(jī)器人的幾何模型，在低速履帶模塊（Track-LM）創(chuàng)建兩條行走機(jī)構(gòu)模型的虛擬樣機(jī)。

1.1 履帶式被動自適應(yīng)機(jī)器人模型的建立

由于RecurDyn軟件幾何建模能力有限，采用三維建模軟件Solidworks軟件中建立車體模塊、懸架模塊和尾輪模塊，分別保存為Parasolid形式，并所有部件以剛體形式依次導(dǎo)入到RecurDyn軟件中，在建立幾何模型中，進(jìn)行了以下假設(shè)：1）在不影響機(jī)器人運(yùn)動仿真的條件下，減少轉(zhuǎn)動副的數(shù)量，減少仿真時(shí)間，提高仿真分析的成功率；2）在建立幾何模型的過程中，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行簡化，比如刪除倒角、倒邊、小孔等，對于零件存在重量誤差可在RecurDyn軟件中適當(dāng)?shù)卣{(diào)整質(zhì)心參數(shù)和質(zhì)量。

在RecurDyn/Track（LM）低速履帶模塊中建立被動自適應(yīng)機(jī)構(gòu)模塊模型，完成驅(qū)動輪、從動輪、連桿和履帶的參數(shù)設(shè)計(jì)。在參數(shù)設(shè)置界面填寫實(shí)際的尺寸參數(shù)，簡化機(jī)器人的被動自適應(yīng)機(jī)構(gòu)模塊，提高了仿真的效率并保證越障的準(zhǔn)確性。車體模塊、懸架模塊和尾輪模塊存為Parasolid形式分別導(dǎo)入到RecurDyn中，對各個(gè)模塊進(jìn)行位置調(diào)整和修改并施加接觸與約束，確保機(jī)器人虛擬樣機(jī)與實(shí)體機(jī)器人的參數(shù)大概一致。如圖2所示為機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型。

圖2 機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型

1.2 地面模型的建立

在RecurDyn軟件中地面參數(shù)Ground模塊，將硬質(zhì)地面設(shè)置地面參數(shù)為：Stiffness coefficient為500；Damping coefficient為10；Friction coefficient為0.6。機(jī)器人在松軟地面的通過性，將松軟地面分為干沙、沙壤土和粘土壤三種類型[13]，如表1為土壤的特性參數(shù)，土壤的參數(shù)存在一定的差距，影響著越障性能。

表1 地面特性參數(shù)

2 履帶式被動自適應(yīng)機(jī)器人的仿真通過性分析

2.1 確定仿真參數(shù)

履帶式被動自適應(yīng)機(jī)器人的驅(qū)動力施加在兩側(cè)的履帶模塊的驅(qū)動輪上，驅(qū)動輪分度圓半徑為60mm，驅(qū)動函數(shù)采用的是STEP階躍函數(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動[14]。根據(jù)執(zhí)行任務(wù)要求，將機(jī)器人的車速大小分為三個(gè)檔位，由式(1)，可求得STEP函數(shù)中所對應(yīng)的角速度，如表2所示。在RecurDyn動力學(xué)仿真中，仿真時(shí)間越短和步數(shù)越長，仿真效果越真實(shí)，但是仿真時(shí)間較長。綜合考慮，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的仿真時(shí)間和步長。根據(jù)車速不同，STEP函數(shù)可分別表示為STEP(TIME，0，0，1，6.28)、STEP(TIME，0，0，1，9.26)、STEP(TIME，0，0，1，3.89)。驅(qū)動輪的角速度和運(yùn)動速度之間的關(guān)系式為：

表2 三個(gè)檔位的速度

式中：V-機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動速度（km/h）；

R-驅(qū)動輪分度圓半徑（mm）。

在危險(xiǎn)災(zāi)害環(huán)境中，不僅會遇到各種不同的障礙物，而且也會遇到不同的地面，最常見的松軟地面主要分為干沙、沙壤土和粘土壤三種類型，如表1為地面特性參數(shù)。機(jī)器人在爬越臺階、坡地和壕溝地形的越障過程中，建立在不同的地面模型，采用一檔的車速進(jìn)行越障，提高越障的穩(wěn)定性和通過性[15]。經(jīng)過多次仿真實(shí)驗(yàn)，確定臺階最大越障高度、坡地最大坡地角度、壕溝最大寬度的越障參數(shù)，如表3所示。

表3 仿真越障參數(shù)

2.2 臺階越障通過性分析

機(jī)器人在爬越臺階過程中，采用一檔車速，路面選擇硬質(zhì)平整的路面，設(shè)置步長參數(shù)為200，仿真時(shí)間5s；臺階的高度分別設(shè)置為180mm、190mm、200mm和210mm（未越過臺階），觀察機(jī)器人越過臺階仿真過程，分析仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。

當(dāng)機(jī)器人在越障階段時(shí)判斷是否克服障礙物，俯仰角用于衡量機(jī)器人是否能夠順利越過障礙物并恢復(fù)原始狀態(tài)運(yùn)動的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一[15]。如圖3不同越障高度與俯仰角關(guān)系圖，當(dāng)臺階越高時(shí)，俯仰角的波動越大，越障高度為200mm存在最大的俯仰角為-21°；如圖4所示，平地上勻速運(yùn)動，三條曲線的波動率較小，機(jī)器人爬臺階時(shí)，越障高度越高時(shí)，質(zhì)心豎直方向加速度波動越大，穩(wěn)定性能越差，其臺階的通過性能越差。

圖3 臺階高度與俯仰角關(guān)系圖

圖4 臺階高度與質(zhì)心豎直方向加速度關(guān)系圖

2.3 坡路越障通過性分析

1）改變坡路坡角

創(chuàng)建500mm坡地的水平長度、硬質(zhì)地面模型，機(jī)器人的車速選取為一檔，選擇坡度角分別為：20°、25°和30°，觀察仿真過程中坡度角對質(zhì)心水平速度及俯仰角的變化情況。

如圖5所示，其中由于仿真中的方向問題，其速度表示為負(fù)值。機(jī)器人質(zhì)心水平速度隨著坡度角的變化而變化，坡度角越大，其速度的波動越大30°坡路的速度最大值-580mm/s；如圖6不同坡度角與俯仰角關(guān)系圖，機(jī)器人在平地運(yùn)動趨于穩(wěn)定狀態(tài)，俯仰角大概為5°，機(jī)器人越過障礙物時(shí)，俯仰角迅速減小并出現(xiàn)最小值，從圖中可以看出，坡度角30°的俯仰角最大值為17°，最小值為-1°。

圖5 不同坡度角與質(zhì)心水平速度關(guān)系圖

圖6 不同坡度角與俯仰角關(guān)系圖

2）改變速度

采用坡度角20°、硬質(zhì)地面的地面模型，分別用三個(gè)檔位的速度進(jìn)行仿真，步長為200，仿真時(shí)間7.5s。通過爬越坡地仿真分析，觀察機(jī)器人質(zhì)心豎直方向速度、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的變化情況。

如圖7所示，在坡地上運(yùn)動時(shí)，速度越大，質(zhì)心豎直方向速度波動較大，質(zhì)心豎直方向速度的最大值可達(dá)到300mm/s；在平地上運(yùn)動時(shí)，三個(gè)檔位的變化較小，其三檔的波動比一、二檔略偏大一點(diǎn)，波動范圍在-100mm/s～300mm/s。如圖8所示，在0～1s的加速階段，二檔車速出現(xiàn)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩的最大值為3500N·m，其三檔車速的轉(zhuǎn)矩存在較大的波動；在越障階段中，速度越大，波動越小，一檔車速的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩波動較大，存在最大值2800N·m；爬上坡地之后在平地上運(yùn)動階段，三個(gè)檔位車速的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩波動較小。

圖7 車速與質(zhì)心豎直方向速度關(guān)系圖

圖8 車速與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖

3）改變地面參數(shù)

采用坡度角20°、硬質(zhì)地面的地面模型，速度選擇一檔，分別在干沙、沙土壤和粘土壤的地面模型上仿真分析，通過仿真分析觀察在越障過程中機(jī)器人質(zhì)心水平方向速度、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。

如圖9地面參數(shù)與質(zhì)心水平方向速度的關(guān)系圖中，觀察到在干沙坡地爬坡速度最大，與在沙土壤坡地爬坡速度相近，而在粘土壤坡地上，速度最低，相比于其他地面坡地爬越坡地的時(shí)間也很長。如圖10地面參數(shù)與驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩的關(guān)系圖，在0～1s的加速階段，在粘土壤坡地上驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩波動很小，而在干沙坡地和沙土壤坡地的波動很大；在越障過程中，三種地面的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩波動較大，而且驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩最大值大小相近，大約在27500N·m。

圖9 地面參數(shù)與質(zhì)心水平方向速度的關(guān)系圖

圖10 地面參數(shù)與驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的關(guān)系圖

2.4 壕溝越障通過性分析

壕溝在室外環(huán)境很常見，機(jī)器人在越障過程中，對于壕溝的寬度和高度有一定的影響。選擇了四個(gè)不同壕溝參數(shù)分別為：210mm×150mm、225mm×150mm、240mm×150mm和255mm×150mm（越障不成功）。觀察在壕溝越障過程中不同壕溝寬度對質(zhì)心豎直位移及俯仰角的影響。

機(jī)器人采用一檔速度，分別在三個(gè)不同壕溝參數(shù)的硬質(zhì)地面模型上仿真分析，得到了如圖11的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)。在平整的地面上行駛，機(jī)器人的質(zhì)心豎直方向位移和俯仰角波動較??；機(jī)器人開始越障，質(zhì)心豎直方向位移開始下降，在壕溝240mm×150mm質(zhì)心豎直方向位移變化很大，下降了大約40mm。可以觀察到在三個(gè)不同壕溝參數(shù)的硬質(zhì)地面模型上仿真，機(jī)器人越障比較穩(wěn)定，通過性能強(qiáng)。

圖11 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

3 樣機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果分析

通過對查閱資料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、建立三維模型、優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)、越障仿真分析、加工零件、組裝樣機(jī)等工作任務(wù)，完成了履帶式被動自適應(yīng)機(jī)器人；將遠(yuǎn)程監(jiān)控終端安裝于控制箱內(nèi)，控制箱內(nèi)的顯示屏可觀看機(jī)器人在現(xiàn)場環(huán)境中采集的信息，可通過手柄和按鈕控制機(jī)器人的運(yùn)動，圖12為機(jī)器人的樣機(jī)和控制箱實(shí)物。

圖12 樣機(jī)和控制箱

危險(xiǎn)災(zāi)害現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，本小節(jié)對機(jī)器人通過性測試，主要對坡地、臺階、壕溝和野外的測試。在測試地點(diǎn)搭建地面模型，如圖13(a)為機(jī)器人的野外測試，實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有機(jī)器人、卷尺、傾角儀、鋤頭、半徑為10mm的圓棍、土壤硬度計(jì)、土壤水分測定儀等，在荒地環(huán)境中的不同地形進(jìn)行多次測量求平均值，計(jì)算出土壤參數(shù)，為了與通過性仿真試驗(yàn)保持一致性，驗(yàn)證機(jī)器人的通過性能，在松軟地面上搭建坡地障礙物平臺，尋找最大坡路坡角。如圖13(b)、圖13(c)和圖13(d)在室內(nèi)分別搭建臺階、壕溝和坡路平臺，采用書籍和木板搭建平臺，卷尺和傾角儀進(jìn)行測量，逐漸遞增臺階高度、壕溝寬度和坡路坡角，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)和測試，尋找最大通過性。

圖13 機(jī)器人樣機(jī)測試

保證機(jī)器人處于正常的工作狀態(tài)，采用車速一檔且勻速進(jìn)行越障，從低到高逐漸遞增越障高度，直至機(jī)器人無法成功越過障礙物，尋找最大越障高度，如表4所示。

表4 機(jī)器人試驗(yàn)結(jié)果

由表3和表4仿真越障參數(shù)結(jié)果進(jìn)行對比，機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)最大的越障高度與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果基本相同，驗(yàn)證了機(jī)器人模型的正確性，而在試驗(yàn)最大的坡度角和壕溝寬度與仿真數(shù)據(jù)存在一定的差距，綜合考慮其主要原因是木板代替硬質(zhì)地面，地面參數(shù)與仿真參數(shù)數(shù)值不相同，導(dǎo)致動摩擦系數(shù)存在一定偏差，因此可以看出地面參數(shù)對于機(jī)器人通過性有一定的影響。

4 結(jié)語

基于軟件RecurDyn建立虛擬樣機(jī)模型，通過運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)對履帶式被動自適應(yīng)機(jī)器人進(jìn)行各種運(yùn)動形式進(jìn)行仿真測試和數(shù)據(jù)分析。建立幾個(gè)典型地形模型，如坡地、臺階和壕溝仿真越障地形，機(jī)器人在仿真越障地形上運(yùn)動仿真，其中尋找到最大越障高度，主要的影響因素包括地面參數(shù)和車速大小。地面參數(shù)在很大程度上影響著越障性能，而速度的大小影響著機(jī)器人越障的穩(wěn)定性，根據(jù)地面參數(shù)和障礙物的實(shí)際情況，可適當(dāng)?shù)剡x擇車速檔位，最大限度地提高了機(jī)器人的越障穩(wěn)定性和越障性能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，研制樣機(jī)，對機(jī)器人進(jìn)行通過性試驗(yàn)，和仿真結(jié)果基本相同，其中爬越最大坡度角和最大壕溝寬度時(shí)存在較小的偏差，從而驗(yàn)證了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。