變輪轂救援機器人設(shè)計與運動仿真

林偉燚，何用輝

（福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，福建 福州 350003）

0 引言

隨著全球地震災(zāi)害或局部戰(zhàn)爭頻發(fā)，為能夠更好地對受災(zāi)人員進行救治，減少人員傷亡，通常需要借助機器人代替人深入災(zāi)后現(xiàn)場進行救援任務(wù)。救援機器人的出現(xiàn)避免了救援人員傷亡，提高了搜救效率，成為救援任務(wù)中不可或缺的部分[1-2]。

由于救援機器人需要在災(zāi)后環(huán)境中進行運動，對機器人越障能力提出更高的要求。目前救援機器人運動機構(gòu)主要以輪式、腿式、履帶式以及復(fù)合式為主[3]。其中輪式機器人因具有高速與地形適應(yīng)能力強等特點[4]，廣泛應(yīng)用于救援現(xiàn)場。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和東北大學(xué)聯(lián)合研制的新型可伸縮搖臂六輪移動機器人，機器人采用搖臂結(jié)構(gòu)完成越障任務(wù)[5]。西南大學(xué)張龍研制的擺桿輪式越障機器人，結(jié)合“U”型擺桿和動態(tài)尾翼完成轉(zhuǎn)彎與越障動作[6]。甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院[7]采用輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)，設(shè)計一款輪腿式六足智能消防機器人，利用輪腿之間的切換實現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下快速運動。韓國學(xué)者設(shè)計一種被動輪腿變形結(jié)構(gòu)機器人[8]，基于變形輪結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輪、腿之間的轉(zhuǎn)換。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)的輪腿復(fù)合機器人[9]，采用輪腿復(fù)合結(jié)構(gòu)可以更好的適應(yīng)非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境。

救援機器人結(jié)構(gòu)的改進，提高了非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機器人越障性能，為救援任務(wù)的順利完成提供了可能。本文主要針對輪式機器人地形適應(yīng)能力、越障能力不強的問題，通過結(jié)合輪式高速移動、效率高與連桿機構(gòu)承載能力大，耐沖擊等特點，提出設(shè)計了一種面向復(fù)雜環(huán)境下的變輪轂救援機器人。其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、地形適應(yīng)能力強的優(yōu)勢，可以適用于非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境。

1 變輪轂救援機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 性能指標(biāo)

面向復(fù)雜環(huán)境的特殊需求，設(shè)計了一種變輪轂救援機器人，機器人整機相關(guān)性能指標(biāo)見表1。

表1 設(shè)計參數(shù)

1.2 電機選型

為保證機器人具有較好的驅(qū)動能力，機器人每個輪子配有一個驅(qū)動電機，通過對機器人功率進行計算來選擇合適的電機型號。變輪轂救援機器人以最大速度行駛時，其所需功率即為最大功率，計算公式為：

式中：P為移動本體以最快速度行駛時所需的最大功率，kW；f為道路阻力系數(shù)；m為負(fù)重的救援機器人整體重量，N；νmax為最大速度，km/h；C為風(fēng)阻系數(shù)；A為橫截面積，m2；η為系統(tǒng)總效率（包括電機效率、減速器效率、行進結(jié)構(gòu)效率）。

以柏油路面為例，忽略風(fēng)阻影響，則救援機器人最大功率可表示為：

安全系數(shù)K取0.8，最大效率為0.91，減速器傳動效率為0.77，行進機構(gòu)效率為0.85，額定功率可以表示為：

因此，基于額定功率、價格等因素，電機選用某公司的編號為XD-37GB520 的直流減速電機。

1.3 變輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 變輪轂結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系

在變輪轂的設(shè)計中采用連桿機構(gòu)實現(xiàn)輪轂直徑的變化，輪轂?zāi)Ｊ阶兓疽鈭D如圖1 所示，幾何關(guān)系如圖2 所示。

圖1 輪轂?zāi)Ｊ阶兓疽鈭D

圖2 幾何關(guān)系圖

圖中S′為鉸鏈中心點到中軸線之間的距離，S為首鉸鏈中心點與末鉸鏈中心點之間的距離；b為剪叉機構(gòu)長桿的長度；a為剪叉機構(gòu)短桿的長度；e為剪叉機構(gòu)垂直移動量；φ為剪叉機構(gòu)長桿與水平之間的夾角。

圖2 中相關(guān)量的幾何關(guān)系可表示為：

1.3.2 推力計算

假設(shè)在水平推力Fin的作用下的虛位移為dS′，在豎直方向載荷Q作用下的虛位移為de，分別將式（3）（4）左右兩端對φ求導(dǎo)可得：

根據(jù)虛位移原理：作用于質(zhì)點系的主動力在任何位移中所做虛功的和等于零，可得

單腿著地：聯(lián)合式（5）-（7），可以得到

同理雙腿著地時

通過式（8）與式（9）可以得到變輪轂在單腿著地與雙腿著地兩種情形下豎直方向載荷與水平推力之間的關(guān)系，為后續(xù)變輪轂救援機器人控制提供理論指導(dǎo)。

文中變輪轂結(jié)構(gòu)采用連桿機構(gòu)，其單一伸縮運動單元由六個連桿組成，三個長連桿，長度為100 mm，三個短連桿，長度為50 mm，第一段由三個長連桿組成，承受主要的支撐力，第二段由三個短連桿組成，承受輪翼所施加載荷。為保證輪轂變形后不會喪失變形持續(xù)性，采用電機驅(qū)動T8 絲杠進行傳動。機器人最大負(fù)重10 kg，整機空載預(yù)估重量5 kg，故整機變輪轂機構(gòu)總承受載荷約147 N，每一部分約為36.75 N。變輪轂結(jié)構(gòu)三維如圖3 所示。

圖3 變輪轂總裝配模型圖

1.4 整機設(shè)計

通過對機器人關(guān)鍵部件的設(shè)計與分析，確定了機器人驅(qū)動方式與變輪轂結(jié)構(gòu)，接下來對機器人整體進行設(shè)計。救援機器人除搜尋目標(biāo)之外，還應(yīng)給救助目標(biāo)提供應(yīng)急物資，因此在載重不變的情況下應(yīng)盡可能地增大體積。救援機器人內(nèi)部空間分成三部分區(qū)域：前后區(qū)域用來放置前后電機與控制部分，中間區(qū)域為物資容納區(qū)。使用SolidWorks 建立變輪轂救援機器人三維模型，如圖4 所示。

圖4 變輪轂救援機器人總體結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵部件靜力學(xué)仿真與優(yōu)化

首先，為保證機器人整機強度，需要對其關(guān)鍵部件進行有限元分析。使用ANSYS Workbench 對輪轂結(jié)構(gòu)進行有限元分析，首先對導(dǎo)入后的零部件進行材料屬性定義。變輪轂救援機器人各部件所選用材料及材料屬性見表2。

表2 結(jié)構(gòu)部件材料類型及屬性

其次，在滿足數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的情況下，選擇5 mm 的網(wǎng)格對輪轂?zāi)Ｐ瓦M行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖5 所示。

圖5 變輪轂?zāi)Ｐ颓婢W(wǎng)劃分

在進行邊界條件和載荷約束時，考慮到被設(shè)計對稱式結(jié)構(gòu)配置，選擇箱體下表面作定義邊界，承受載荷部分主要為變輪轂連桿與輪翼。因此選擇輪翼下表面為靜載荷面，力的大小為機體總重量外加載荷物資重量15 kg，但為保證設(shè)計安全可靠，選擇200 N 力進行分析，故每個輪子所承受載荷為50 N，如圖6 所示。

圖6 邊界及載荷類型載荷大小的設(shè)置

如圖7 可知，救援機器人輪翼機構(gòu)受力變形相對較大，為解決輪翼邊緣變形問題，將輪翼內(nèi)側(cè)與連桿連接的固定塊延長至輪翼邊緣，并再次進行受力分析。對比優(yōu)化前后形變情況，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)救援機器人的結(jié)構(gòu)受力情況明顯改善，如圖8 所示。

圖7 變輪轂總形變圖

圖8 變輪轂優(yōu)化后

根據(jù)優(yōu)化后的實驗結(jié)果，確定變輪轂救援機器人最終模型圖，如圖9 所示。

3 變輪轂救援機器人動力學(xué)仿真與分析

3.1 仿真設(shè)置

為使運動分析具有定向性，應(yīng)對變輪轂救援機器人模型進行必要的約束。首先，應(yīng)使變輪轂固定架與軟件所設(shè)大地坐標(biāo)進行鎖定；其次，通過Admas 中Connectors 命令進行機器人運動副的創(chuàng)建；最后，利用Motions 命令中Step 函數(shù)實現(xiàn)一定時間內(nèi)電機驅(qū)動的加/減速以及電機轉(zhuǎn)向的改變。相關(guān)約束、驅(qū)動的添加如圖10 所示。

圖10 模型約束與驅(qū)動設(shè)置圖

3.2 越障過程仿真

為驗證變輪轂救援機器人越障能力，在Admas中進行越障過程的仿真與分析。利用時間函數(shù)實現(xiàn)對機器人電機的驅(qū)動，完成兩種臺階高度（125 mm、320 mm）下機器人越障仿真實驗，虛擬樣機越障過程仿真示意圖如圖11 所示。用平穩(wěn)性反映變輪轂機器人的越障能力，如圖12 所示。可以看出救援機器人可以很好的通過不同障礙，完成相應(yīng)的救援任務(wù)，其質(zhì)心在垂直方向的波動較小，可以很好的適應(yīng)臺階的變化，運動平穩(wěn)。仿真結(jié)果表明，本設(shè)計參數(shù)設(shè)置合理，當(dāng)遇到障礙時輪轂展開可有效解決機器人通過性問題，為機器人能夠完成救援任務(wù)提供了可能。

圖11 虛擬樣機越障過程仿真圖

圖12 變輪轂救援機器人質(zhì)心波動曲線

4 結(jié)論

提出一種新型的變輪轂救援機器人，并得到了以下結(jié)論。

（1）該新型變輪轂救援機器人將輪式連桿機構(gòu)相結(jié)合，提升了輪式機器人的穩(wěn)定性、機動性與越障能力。在此基礎(chǔ)上，對該新型機器人進行了整體設(shè)計。

（2）分析了該新型機器人靜力學(xué)與動力學(xué)，在保證機器人強度同時得到了多種運動模式的切換，以適應(yīng)非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境。