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(jìn)行救治，減少人員傷亡，通常需要借助機(jī)器人代替人深入災(zāi)后現(xiàn)場進(jìn)行救援任務(wù)。救援機(jī)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(jī)器人需要在災(zāi)后環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，對機(jī)器人越障能力提出更高的要求。目前救援機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jī)器人因具有高速與地形適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4]，廣泛應(yīng)用于救援現(xiàn)場。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)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(dòng)機(jī)器人，機(jī)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(jī)器人，結(jié)合“U”型擺桿和動(dòng)態(tài)尾翼完成轉(zhuǎn)彎與越障動(dòng)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(jì)一款輪腿式六足智能消防機(jī)器人，利用輪腿之間的切換實(shí)現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下快速運(yùn)動(dòng)。韓國學(xué)者設(shè)計(jì)一種被動(dòng)輪腿變形結(jié)構(gòu)機(jī)器人[8]，基于變形輪結(jié)構(gòu)實(shí)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(jī)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(jī)器人結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提高了非結(jié)構(gòu)環(huán)境下機(jī)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(jī)器人地形適應(yīng)能力、越障能力不強(qiáng)的問題，通過結(jié)合輪式高速移動(dòng)、效率高與連桿機(jī)構(gòu)承載能力大，耐沖擊等特點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)了一種面向復(fù)雜環(huán)境下的變輪轂救援機(jī)器人。其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、地形適應(yīng)能力強(qiáng)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(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 性能指標(biāo)

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

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 電機(jī)選型

為保證機(jī)器人具有較好的驅(qū)動(dòng)能力，機(jī)器人每個(gè)輪子配有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過對機(jī)器人功率進(jìn)行計(jì)算來選擇合適的電機(jī)型號(hào)。變輪轂救援機(jī)器人以最大速度行駛時(shí)，其所需功率即為最大功率，計(jì)算公式為：

式中：P為移動(dòng)本體以最快速度行駛時(shí)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(jī)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(jī)效率、減速器效率、行進(jìn)結(jié)構(gòu)效率）。

以柏油路面為例，忽略風(fēng)阻影響，則救援機(jī)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(dòng)效率為0.77，行進(jìn)機(jī)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(jià)格等因素，電機(jī)選用某公司的編號(hào)為XD-37GB520 的直流減速電機(jī)。

1.3 變輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3.1 變輪轂結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系

在變輪轂的設(shè)計(jì)中采用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)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(diǎn)到中軸線之間的距離，S為首鉸鏈中心點(diǎn)與末鉸鏈中心點(diǎn)之間的距離；b為剪叉機(jī)構(gòu)長桿的長度；a為剪叉機(jī)構(gòu)短桿的長度；e為剪叉機(jī)構(gòu)垂直移動(dòng)量；φ為剪叉機(jī)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(jì)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(diǎn)系的主動(dòng)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(shí)

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(jī)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(jī)構(gòu)，其單一伸縮運(yùn)動(dòng)單元由六個(gè)連桿組成，三個(gè)長連桿，長度為100 mm，三個(gè)短連桿，長度為50 mm，第一段由三個(gè)長連桿組成，承受主要的支撐力，第二段由三個(gè)短連桿組成，承受輪翼所施加載荷。為保證輪轂變形后不會(huì)喪失變形持續(xù)性，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)T8 絲杠進(jìn)行傳動(dòng)。機(jī)器人最大負(fù)重10 kg，整機(jī)空載預(yù)估重量5 kg，故整機(jī)變輪轂機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)

通過對機(jī)器人關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與分析，確定了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式與變輪轂結(jié)構(gòu)，接下來對機(jī)器人整體進(jìn)行設(shè)計(jì)。救援機(jī)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(jī)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(jī)與控制部分，中間區(qū)域?yàn)槲镔Y容納區(qū)。使用SolidWorks 建立變輪轂救援機(jī)器人三維模型，如圖4 所示。

圖4 變輪轂救援機(jī)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(jī)器人整機(jī)強(qiáng)度，需要對其關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析。使用ANSYS Workbench 對輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，首先對導(dǎo)入后的零部件進(jìn)行材料屬性定義。變輪轂救援機(jī)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(jìn)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(jìn)行邊界條件和載荷約束時(shí)，考慮到被設(shè)計(jì)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(jī)體總重量外加載荷物資重量15 kg，但為保證設(shè)計(jì)安全可靠，選擇200 N 力進(jìn)行分析，故每個(gè)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(jī)器人輪翼機(jī)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(jìn)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(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定變輪轂救援機(jī)器人最終模型圖，如圖9 所示。

3 變輪轂救援機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真與分析

3.1 仿真設(shè)置

為使運(yùn)動(dòng)分析具有定向性，應(yīng)對變輪轂救援機(jī)器人模型進(jìn)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(jìn)行鎖定；其次，通過Admas 中Connectors 命令進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)副的創(chuàng)建；最后，利用Motions 命令中Step 函數(shù)實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加/減速以及電機(jī)轉(zhuǎn)向的改變。相關(guān)約束、驅(qū)動(dòng)的添加如圖10 所示。

圖10 模型約束與驅(qū)動(dòng)設(shè)置圖

3.2 越障過程仿真

為驗(yàn)證變輪轂救援機(jī)器人越障能力，在Admas中進(jìn)行越障過程的仿真與分析。利用時(shí)間函數(shù)實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，完成兩種臺(tái)階高度（125 mm、320 mm）下機(jī)器人越障仿真實(shí)驗(yàn)，虛擬樣機(jī)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(jī)器人的越障能力，如圖12 所示?？梢钥闯鼍仍畽C(jī)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(dòng)較小，可以很好的適應(yīng)臺(tái)階的變化，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置合理，當(dāng)遇到障礙時(shí)輪轂展開可有效解決機(jī)器人通過性問題，為機(jī)器人能夠完成救援任務(wù)提供了可能。

圖11 虛擬樣機(jī)越障過程仿真圖

圖12 變輪轂救援機(jī)器人質(zhì)心波動(dòng)曲線

4 結(jié)論

提出一種新型的變輪轂救援機(jī)器人，并得到了以下結(jié)論。

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

（2）分析了該新型機(jī)器人靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)，在保證機(jī)器人強(qiáng)度同時(shí)得到了多種運(yùn)動(dòng)模式的切換，以適應(yīng)非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境。