基于RecurDyn 履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力學(xué)仿真

吳朝陽，謝占山

（1.226019 江蘇省 南通市 南通大學(xué) 杏林學(xué)院；2.226019 江蘇省 南通市 南通大學(xué) 機械工程學(xué)院）

0 引言

履帶式底盤是最常見的移動機器人，適用于復(fù)雜的路面工況。為獲取研究所需的動態(tài)性能，使用以及開發(fā)和調(diào)試移動機器人，特別是履帶車輛的控制算法，傳統(tǒng)方法與實際相結(jié)合實驗時間長、成本高[1-4]。吳子岳等[5]提出一種適用于丘陵山區(qū)農(nóng)用機械的履帶底盤設(shè)計方案，對履帶底盤直線、爬坡和越障行駛過程進行了仿真分析；高亞東[6]結(jié)合履帶機器人的工作環(huán)境,提出一種利用絲杠實現(xiàn)變節(jié)的三節(jié)六履式移動機器人設(shè)計方案；劉路等[7]提出一種基于降維變系數(shù)的滑模控制方法,實現(xiàn)對三維崎嶇路面履帶機器人的運動控制。對履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制等方面的研究也取得了較豐碩的成果[8-11]。鑒于虛擬樣機技術(shù)的快速發(fā)展，利用該技術(shù)能對復(fù)雜機械系統(tǒng)進行快速建模，提高機器人運動計算、測試效率[12]，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本。

相較于傳統(tǒng)的輪式移動機器人，履帶式移動機器人以其優(yōu)良的地形適應(yīng)能力和運動性能得到了廣泛應(yīng)用。履帶機器人大致分為單節(jié)式、雙節(jié)式、多節(jié)式3 種。單節(jié)式結(jié)構(gòu)簡單，在越障時難以發(fā)揮優(yōu)勢；多節(jié)式靈活度高，但功耗大，控制困難，且越障時穩(wěn)定性不高。鑒于此，本文以雙節(jié)四履式履帶機器人為研究對象，其越障性能優(yōu)于單節(jié)式，且越障時穩(wěn)定性較高。通過RecurDyn 軟件進行仿真分析，可以有效節(jié)約成本，并能獲得實時數(shù)據(jù)，從而加快設(shè)計和開發(fā)，為產(chǎn)品具有較高的穩(wěn)定性和可靠性打下基礎(chǔ)。

1 履帶式機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

履帶底盤機構(gòu)由履帶、驅(qū)動輪、誘導(dǎo)輪、負重輪、張緊裝置組成，常用于履帶底盤行走裝置主要有長方型、倒梯形型、三角型3 種[13]，本文所研究的履帶機器人的行走裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 履帶機器人的行走裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of walking device of tracked robot

圖1 中：r1——驅(qū)動輪半徑；r3——負重輪半徑；h1——行走裝置質(zhì)心高度；l1——履帶接地長度。整體設(shè)計的主要指標(biāo)[14]包括：（1）整機空載質(zhì)量≤300 kg，滿載質(zhì)量≤400 kg；（2）正常行駛速度為2～4 km/h；（3）在松軟路面具備較好的通過能力，滿載接地比壓＜30 kPa；（4）具備較好的爬坡越障能力，最大爬坡角度≥20°，可跨越壕溝寬度≥0.5 m；（5）操縱方式簡單且能靈活轉(zhuǎn)向，具有較小的轉(zhuǎn)向半徑。

1.1 最大越障高度

履帶的越障高度以履帶重心達到障礙物的垂直線延長線計算，越障示意圖如圖2 所示，其中H1為底盤的最大越障高度。由圖2 幾何關(guān)系可得最大偏轉(zhuǎn)角θ和越障臨界高度ha(θ)表達式[15]為

圖2 越障示意圖Fig.2 Schematic diagram of obstacle crossing

其中，偏轉(zhuǎn)角度0 ＜θ＜θ1。

1.2 最大跨越壕溝寬度

行走裝置跨越壕溝示意圖如圖3 所示，可以分析出跨越壕溝時底盤發(fā)生傾翻、越障失敗的臨界點。為保證順利通過，底盤重心應(yīng)在壕溝邊緣，且一端能接觸到另一側(cè)的壕溝邊緣[16]。壕溝最大寬度L1的表達式為

圖3 跨越壕溝示意圖Fig.3 Schematic diagram of trench

1.3 履帶的參數(shù)設(shè)計

考慮到工作環(huán)境惡劣，設(shè)計的履帶應(yīng)具有高強度和耐磨抗損壞能力。履帶寬度b和接地長度l應(yīng)滿足式（4）和式（5）。

式中：λ——系數(shù)，取值0.18～0.28。許用接地比壓

式中：mm——滿載質(zhì)量。

結(jié)合設(shè)計要求，履帶車取值為

驅(qū)動輪半徑計算公式為

導(dǎo)向輪用于引導(dǎo)履帶式機器人運動，誘導(dǎo)輪直徑r1計算公式[17]為

履帶機器人的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 履帶機器人的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of tracked robot

2 建立履帶機器人的動力學(xué)模型

LMTV 提供了履帶系統(tǒng)所需的所有建模仿真模型，包括鏈輪、履帶輪和履帶，其中履帶是由離散的鋼履帶板組成，為進行動態(tài)模擬試驗，應(yīng)在RecurDyn 中建立動態(tài)模型[18]。對三維模型進行模擬，移除與運動無關(guān)的零件，如螺母等。質(zhì)心位置與三維模型一致，盡可能不影響模擬試驗結(jié)果，首先由SoildWorks 建立整體模型，保存為X_T 模型導(dǎo)入RecurDyn，然后在特定坐標(biāo)系建立履帶系統(tǒng)組：履帶、驅(qū)動輪、誘導(dǎo)輪、負重輪、惰輪以及張緊彈簧，最終完成履帶子系統(tǒng)模型，如圖4 所示。

圖4 履帶子系統(tǒng)Fig.4 Track subsystem

添加每個零部件之間的運動關(guān)系，如表2 所示，建立與地面的約束關(guān)系設(shè)置摩擦因數(shù)[19-21]。經(jīng)過大量仿真試驗，建立履帶機器人的動力學(xué)模型，如圖5 所示。

表2 零部件之間的運動關(guān)系Tab.2 Motion relationship between parts

圖5 履帶機器人動力學(xué)模型Fig.5 Dynamic model of tracked robot

3 仿真實驗分析

3.1 越障仿真分析

主要分析了以下問題：（1）機器人越障是否會出現(xiàn)卡死在角落等問題；（2）張緊輪的預(yù)緊力是否設(shè)置合理；（3）帶輪是否會脫落。

系統(tǒng)參數(shù)的合理設(shè)置至關(guān)重要，主要參數(shù)有：彈簧剛度、地面接觸參數(shù)、機器人速度、最大爬坡高度、整機質(zhì)量等。進入驅(qū)動輪設(shè)置，添加STEP函數(shù)，設(shè)置驅(qū)動函數(shù)為：EP(TIME,0.5,0,2,300D)-step(time,4,0,10,300d)，經(jīng)過多次仿真實驗與參數(shù)調(diào)整，最后成功到達最高障礙，如圖6 所示，障礙物的高度為350 mm。

圖6 履帶機器人跨越樓梯Fig.6 Tracked robot crossing stairs

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置仿真時間為8 s，步數(shù)1 000，仿真得到如圖7 所示的曲線。由圖7（a）可知，3.0～5.5 s 時，在彈簧作用下覆帶所受拉力增大，以抵抗越障時受到的沖擊。

圖7 車輛速度、拉力彈簧、偏航角的變化曲線Fig.7 Variation curves of vehicle speed,tension spring and yaw angle

圖7（b）為重心方向的加速度，可見，只有在越障時加速度會突然變大，其它時刻都保持良好的穩(wěn)定性；由圖7（c）所示偏航角度變化可知，越障完成之后，角度沒有因巨大的沖擊而出現(xiàn)太大變化，只偏移了0.4°，說明履帶車在越障高度約為350 mm 時具有良好的越障性能。

4 結(jié)語

本文對履帶機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和越障仿真，采用RecurDyn/Track LMTV 獲得速度、偏航角及彈簧拉力等仿真數(shù)據(jù)，總結(jié)如下：（1）在傳統(tǒng)履帶機器人機構(gòu)基礎(chǔ)上，增加誘導(dǎo)輪張緊裝置，實現(xiàn)了越障的穩(wěn)定性；（2）合理設(shè)置RecurDyn 仿真參數(shù)進行實驗仿真，得到一系列姿態(tài)數(shù)據(jù)，為后續(xù)設(shè)計提供有效支撐；（3）通過RecurDyn 仿真軟件開發(fā)履帶機器人能獲得實時仿真數(shù)據(jù)，加快了設(shè)計進程，可節(jié)約成本，使產(chǎn)品具有比較高的穩(wěn)定性和可靠性。