祝保領(lǐng),金曉怡,鈕冬科,韓 旺,周宏宇
ZHU Bao-ling,JIN Xiao-yi,NIU Dong-ke,HAN Wang,ZHOU Hong-yu
(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 201620)
移動(dòng)機(jī)器人具有良好的運(yùn)動(dòng)性能,廣泛應(yīng)用于災(zāi)難搜救、偵察探測(cè)和星球探索等諸多領(lǐng)域。近些年,移動(dòng)機(jī)器人面臨的作業(yè)環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜多變,于是機(jī)器人的地形適應(yīng)能力、越障能力和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性就愈加重要[1]。
從移動(dòng)系統(tǒng)的角度來(lái)看,移動(dòng)機(jī)器人主要由輪系、車體和底盤(pán)三大模塊組成,受此啟發(fā),國(guó)內(nèi)一些高校科研單位已經(jīng)考慮到通過(guò)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[2],實(shí)現(xiàn)輪系、車體和底盤(pán)的有機(jī)組合,從而提高移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)性能。這方面不乏成功的先例,譬如國(guó)防科技大學(xué)從構(gòu)型創(chuàng)新和構(gòu)型組合出發(fā),設(shè)計(jì)了一款雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)月球車[3]。
本文以行星輪機(jī)器人為研究對(duì)象,通過(guò)以往的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知,現(xiàn)有的行星輪機(jī)器人,具有以下不足:
1)機(jī)器人整體體積較大存放不便;
2)機(jī)器人地面適應(yīng)能力較差,越障能力不足;
3)機(jī)器人拆卸不便,維護(hù)不便。
為了解決以上難題,設(shè)計(jì)了一款仿生可變形行星輪機(jī)器人。為了解決存儲(chǔ)體積大的問(wèn)題,機(jī)器人底盤(pán)設(shè)計(jì)采用了一種新型四桿變形機(jī)構(gòu),能夠滿足存儲(chǔ)和穩(wěn)定行駛的體積要求,通過(guò)輪距收縮能夠節(jié)約30%左右的存儲(chǔ)空間。同時(shí)在車體的設(shè)計(jì)上考慮到被動(dòng)適應(yīng)地形,設(shè)計(jì)了均化系統(tǒng),保證四輪能夠在高低不平的路面上同時(shí)接地。為提高機(jī)器人可拆卸及易維護(hù)等性能,設(shè)計(jì)方案應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)思想。模塊化設(shè)計(jì)的思想核心是將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成多個(gè)簡(jiǎn)單的功能模塊,有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析,同時(shí)各功能模塊之間相互獨(dú)立布置,互換性比較強(qiáng)[4]。
行星輪機(jī)器人是一款基于輪系本身越障考慮而設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人,它采用行星輪結(jié)構(gòu),通過(guò)自身輪系的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)越障功能,廣泛應(yīng)用于越障小車設(shè)計(jì)。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)一些高校已經(jīng)就行星輪機(jī)器人進(jìn)行過(guò)充分的研究和論證,哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面的研究起步較早,技術(shù)成熟,已發(fā)表的論文涉及行星輪的越障分析[5]、動(dòng)力學(xué)分析[6]和優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]等諸多方面。此外華中科技大學(xué)針對(duì)行星輪機(jī)器人也已做過(guò)不少研究[8]。
行星輪系是一種先進(jìn)的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),具有傳動(dòng)功率大、承載能力大和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),多應(yīng)用于越障機(jī)器人設(shè)計(jì)[9]。
行星輪基于差動(dòng)傳動(dòng)規(guī)律,如圖1所示,中心齒輪1由電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器等驅(qū)動(dòng),通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)過(guò)渡齒輪2和行星輪3進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),車輪4與驅(qū)動(dòng)輪3是固接在一起的,于是帶動(dòng)車輪繞著中心齒輪和驅(qū)動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),猶如行星繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一般,所以形象地稱這種齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為行星輪系。
圖1 行星輪原理圖
在平坦路面行駛時(shí),受到兩個(gè)輪子同時(shí)著地的約束,行星支架不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn),演變成定軸輪系,利用車輪快速驅(qū)動(dòng)前進(jìn),其行駛效率和普通輪系無(wú)異。同時(shí)多輪著地,增大了車輪與地面的接觸面積,不僅提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,還降低了接地比壓,使機(jī)器人具有較好的地形通過(guò)性。當(dāng)遇到較大障礙物時(shí),前進(jìn)的車輪受阻,于是演變成行星輪系,此時(shí)通過(guò)行星架的翻轉(zhuǎn)輕松實(shí)現(xiàn)越障和爬臺(tái)階。
行星輪系依靠自身的行星架翻轉(zhuǎn)進(jìn)行越障,不需要復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu),因此大大簡(jiǎn)化了機(jī)械機(jī)構(gòu)。其越障過(guò)程如圖2所示。
圖2 行星輪越障過(guò)程示意圖
跨越垂直障礙的極限值是衡量機(jī)器人越障能力的重要參數(shù),臺(tái)階是最典型的垂直障礙,行星輪機(jī)器人依靠自身的翻轉(zhuǎn)可輕松實(shí)現(xiàn)爬臺(tái)階的功能。如圖3所示,驅(qū)動(dòng)齒輪圓心到中心齒輪圓心的距離為R,車輪半徑為r,行星輪可跨越垂直障礙的極限值為H,由圖中的幾何關(guān)系易得最大跨越高度的關(guān)系式:
圖3 行星輪跨越垂直障礙時(shí)的狀態(tài)圖
行星輪機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置基于懸架的幾何尺寸、越障要求及全地形通過(guò)性的考慮,通過(guò)模型仿真及組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法確定總體設(shè)計(jì)方案。機(jī)器人的配置方案確定輪系、懸架和車體系統(tǒng)的組合方案,并確定適當(dāng)?shù)牡妆P(pán)方案,考慮的基本概念及所進(jìn)行的分析如表1所示。
表1 機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案
考慮到地形特點(diǎn)(如山地、叢林、城市道路、樓道臺(tái)階)的不確定性,在參數(shù)配置的過(guò)程中研究了一系列可能的運(yùn)動(dòng)值計(jì)算,基于Pro/E軟件和ADMAS軟件聯(lián)合仿真計(jì)算,評(píng)估機(jī)器人的總的運(yùn)動(dòng)尺寸、車輪間距及車體機(jī)架等參數(shù)。通過(guò)精確的參數(shù)分析,深層次地評(píng)價(jià)配置的優(yōu)缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)移動(dòng)系統(tǒng)的最優(yōu)化組合設(shè)計(jì)。
機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)可分為4組行星輪驅(qū)動(dòng)模塊、均化分節(jié)車體模塊和變形底盤(pán)模塊三大部分。每個(gè)越障行星輪都是獨(dú)立驅(qū)動(dòng),電機(jī)功率50W。由于采用了均化系統(tǒng),機(jī)器人在高低不同的地面上能夠均化各輪的壓力,使機(jī)器人保持行駛平衡。機(jī)器人約重25KG,車體外形尺寸為51cm×48cm×28cm(長(zhǎng)×寬×高),在平坦路面上的行駛速度為0.5m/s。
如圖4、圖5所示分別為行星輪傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,詳細(xì)地表明了行星輪布局和動(dòng)力傳遞的情況,考慮到電機(jī)布置與底盤(pán)變形可能存在的沖突,機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用渦輪蝸桿直流電機(jī)。設(shè)計(jì)速度不高,但要求機(jī)器人的越障能力,采用了較大的減速比來(lái)提高車輪的驅(qū)動(dòng)力矩,以滿足粗糙路面的驅(qū)動(dòng)要求。為了進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速和增加驅(qū)動(dòng)力矩,采用減速皮帶輪傳輸電機(jī)驅(qū)動(dòng)力。
車輪的配置基于重量和抓地能力的考慮,確定適用于越野的輪胎設(shè)計(jì),選擇在驅(qū)動(dòng)輪的輪緣上注塑橡膠材料,并加工凹凸錯(cuò)落的紋理。
為了防止行星輪在攀越直角障礙時(shí),行星架與直角障礙發(fā)生干涉,布置在每?jī)山M行星齒輪之間的支架零件都盡量往內(nèi)部收縮。同時(shí)在行星輪傳動(dòng)部件的空隙處布置了一些螺釘孔,用于將左右兩塊行星輪支架固定在一起。
圖4 行星輪傳動(dòng)系統(tǒng)
圖5 行星輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
為了降低接地比壓,均分各車輪上的壓力,提高地形適應(yīng)能力,在縱向分節(jié)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中配置了均化系統(tǒng)[10],如圖6所示,車體兩側(cè)的邊框架上分別固定了一組軸承,用來(lái)安裝車體的兩根轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸。機(jī)器人兩側(cè)的輪子通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架間距相對(duì)于車體的中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)[11],順應(yīng)地勢(shì)不平,能夠保證四組行星輪同時(shí)接地,并保持各輪的壓力均分。
轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸的鉸接實(shí)現(xiàn)了縱向分節(jié)車體的設(shè)計(jì)[12],機(jī)器人左右車體通過(guò)相對(duì)偏移和轉(zhuǎn)動(dòng)被動(dòng)適應(yīng)地形變化,輔助車體均化系統(tǒng)的運(yùn)行。
均化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸在垂直方向上有一個(gè)自由度,經(jīng)過(guò)身體的平均,機(jī)器人車身中心的升降值等于所有車輪的平均垂直偏移變化量,車體的俯仰和滾轉(zhuǎn)均化使得機(jī)器人在保證良好的移動(dòng)性的同時(shí),還具有很好的穩(wěn)定性[13]。
圖6 機(jī)器人的均化系統(tǒng)
基于烏龜自我防護(hù)的仿生設(shè)計(jì),機(jī)器人配置的變形底盤(pán)可將行星輪組隱藏在車體內(nèi)部,在復(fù)雜的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自我防護(hù)。如圖7所示,機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存模式和展開(kāi)模式的輪距轉(zhuǎn)化[14],通過(guò)四組對(duì)稱的四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形,當(dāng)?shù)妆P(pán)展開(kāi)時(shí),四桿機(jī)構(gòu)變成一個(gè)菱形,當(dāng)?shù)妆P(pán)收縮時(shí),四桿機(jī)構(gòu)則變成一條直線,每組四桿機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置。
四桿機(jī)構(gòu)的工作原理如圖8所示,圖中最下方A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)被限制在2個(gè)方向上有一個(gè)線性導(dǎo)軌,并通過(guò)絲桿滑塊在y方向上被致動(dòng),從而帶動(dòng)其他桿的轉(zhuǎn)動(dòng)。而E點(diǎn)和B點(diǎn)固定鉸接在浮動(dòng)邊框的兩端,C,D兩點(diǎn)具有3個(gè)自由度,既可以轉(zhuǎn)動(dòng),也可以沿著x方向或y方向移動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)桿的包絡(luò)空間的轉(zhuǎn)化。
圖7 機(jī)器人的展開(kāi)模式(左)和收縮模式(右)
圖8 底盤(pán)轉(zhuǎn)化原理圖
浮動(dòng)邊框布置的內(nèi)部空間足夠容納行星車輪,四桿機(jī)構(gòu)的收縮使機(jī)器人在儲(chǔ)存時(shí)可以將車輪完全隱藏在車體內(nèi)部,能夠節(jié)約30%左右的存儲(chǔ)空間。
如圖9所示,機(jī)器人在傾角為b的斜坡上側(cè)傾勻速穩(wěn)定行駛,由于對(duì)稱模塊化布置,重心位置即為機(jī)器人的幾何中心點(diǎn)位置。
圖9 機(jī)器人側(cè)傾狀態(tài)
機(jī)器人側(cè)傾行駛的穩(wěn)定條件是穩(wěn)定力矩大于傾覆力矩,在臨界狀態(tài)下,機(jī)器人的上面車輪的地面支撐力N1為零,車身將以下面車輪的外側(cè)軸線側(cè)翻。臨界狀態(tài)下的傾角b的計(jì)算方程如下:
由上式可以看出,降低機(jī)器人的重心高度,可以增大側(cè)傾角,但重心過(guò)低,又影響機(jī)器人的通過(guò)性。因此,機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)的配置時(shí)重力應(yīng)盡量集中到車輪上,這樣在不影響通過(guò)性的情況下,不僅能夠增大傾斜角,還能夠提高機(jī)器人的穩(wěn)定性[15]。
機(jī)器人爬坡?tīng)顟B(tài)如圖10所示,重力G沿斜坡水平方向的分力Ff即為坡度阻力:
圖10 機(jī)器人爬坡受力狀態(tài)示意圖
機(jī)器人勻速行駛,車輪與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)為j,機(jī)器人對(duì)地面的壓力為FN,可得滾動(dòng)阻力f:
機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力等于作用在每個(gè)車輪上的驅(qū)動(dòng)力之和:
式中,N為斜坡對(duì)于每個(gè)車輪的總支撐力,f為車輪與地面間的附著系數(shù)。
綜合以上各式,可得機(jī)器人沿斜坡勻速行駛時(shí)的受力方程:
關(guān)于機(jī)器人的ADMAS仿真測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)另文分析。
1)基于組合優(yōu)化設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)思想,結(jié)合機(jī)構(gòu)創(chuàng)新,設(shè)計(jì)了一款仿生可變形的行星輪機(jī)器人,給出了移動(dòng)系統(tǒng)配置方案,分析了機(jī)器人的越障能力和運(yùn)動(dòng)性能。
2)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輪系、車體、懸架和底盤(pán)的有機(jī)組合,在各自的設(shè)計(jì)方案中確定適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu),進(jìn)行組合設(shè)計(jì),提升了機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化的自然環(huán)境和臺(tái)階、街道等結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的地形通過(guò)能力和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。
3)通過(guò)Pro/E軟件和ADMAS軟件聯(lián)合仿真計(jì)算,進(jìn)行深層次的評(píng)價(jià)分析,將推動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)。
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