（机械电子工程专业论文）复合式越障机器人的结构设计与性能分析.pdf

独创性声明 丫ifljiriiihiii i f r l r , 1 1 1 1 r l l i i l ! i i i l lr 1 4 8 200 33 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：吖喜色日期：h ) 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：吖a 色 导师签名：日期：忉c ，6 岁 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文基于研发可适应多种结构化及非结构化地形的移动机器人平台的需求，提 出复合式越障机器人这一课题，就其运动性能展开研究。 首先，阐述了履带行驶系统的平地行驶原理，总结影响履带系行驶性能的因素。 描述了四摆臂复合式越障机器人的结构形式，分析其越障动作序列，提出主从履带 复合式越障机器人。 其次，阐述了多体动力学仿真软件r e c u r d y n 的基本算法，详细说明了它关于履 带行走系中接触问题的处理方法，及履带系统在其h m ( h i g hm o b i l i t yt r a c k e dv e h i c l e ) 模块中的建模方法。根据主从履带复合式越障机器人设计参数在删中建立虚拟样 机，仿真得到样机在平地硬质路面上的行驶状态及各运动学和动力学参数。并由土 壤力学模型建立粘土路面模型，仿真得到主从履带机器人虚拟样机在平地粘土路面 上的行驶状态及运动学和动力学参数。 在此基础上建立2 5 。硬质坡面和2 0 。粘土坡面地形，仿真得到主从履带复合 越障机器人爬坡时的行驶状态及力学参数。 最后，分析了主从履带复合式机器人翻越台阶障碍过程中的重心变化规律及重 心轨迹算法，提出以重心轨迹判断越障能否成功这一方法。设计适应台阶的越障动 作序列并在r e c u r d y n 中实现，仿真验证动作序列的可行性和重心轨迹判断方法的正 确性，得到样机越障中的运动学参数和动力学参数。 整理总结不同路况下的仿真数据，为驱动部件选取提供依据，并提出结构修改 意见。 关键词：复合式越障机器人动力学仿真 r e c u r d y n 履带 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t b a s e do nt h en e e do fm o b i l er o b o tw h i c hc a l l a d a p tv a r i o u ss n l l c n 】r e da n d u n s t r u c t u r e d t e r r a i n , c o m p o u n d - o v e r - o b s t a c l e s r o b o ti s p r o p o s e d a n di t sm o t i o n p e r f o r m a n c ei ss t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t , t h ep r i n c i p l e so ft r a c k e dw a l k i n gs y s t e mo nf l a ti sd i s c u s s e d t h ef a c t o r s e f f e c t i n gt h e m o t i o n p e r f o r m a n c eo ft r a c k e dw a l k i n gs y s t e m a r es u m m a r i z e d t h e s 1 ：n j c t i l r eo ff o u r - s w i n g - a r mo v e r - o b s t a c l e sr o b o ti sd e s c r i b e da n di t so v e r - o b s t a c l em o t i o n s e q u e n c e sa r ea n a l y z e d ，t h e nt h em a s t e r s l a v e - t r a c k e do v e r - o b s t a c l er o b o t i sp r o p o s e d s e c o n d , t h eb a s i ca l g o r i t h mo fr e c u r d y ni sd i s c u s s e d i t sc o n t a c tt r e a t m e n ta n d m o d e l i n gm e t h o do ft r a c k e dw a l k i n gs y s t e mi nh m ( h i g hm o b i l i t yt r a c k e dv e h i c l e ) i s s p e c i f i e d t h ev i r t u a lp r o t o t y p eo fm a s t e r s l a v e - t r a c k e do v e r - o b s t a c l er o b o ti s s e tu pi n h m a c c o r d i n g t od e s i g np a r a m e t e r s ，a n dg e tt h et r a v e l i n gs t a t e ，k i n e m a t i c sp a r a m e t e r so f p r o t o t y p et h r o u g hs i m u l a t i o n t h ec l a yg r o u n di sm o d e l e da c c o r d i n gt ot h es o i lp a r a m e t e r s ， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 目录 1 绪论”1 1 1引言1 1 2 国内外研究现状2 1 3本文的研究内容及章节框架“4 1 3 1 本文的研究内容4 1 3 2 本文的章节框架“4 2 履带行走系统原理及四摆臂复合式越障机器人“5 2 1履带行走系统平地行驶的运动学5 2 2履带接地比压及其与沉陷深度的关系”6 2 2 1 履带接地比压6 2 2 2 履带接地比压与沉陷深度的关系6 2 3履带行走系统的行驶力学一8 2 3 1 履带行走系统的力学系统8 2 3 2 履带行走系统的内部行驶阻力9 2 3 3 履带行走系统的外部行驶阻力9 2 4履带行走系统的附着性能1 1 2 4 1 履带行走系统在硬质路面上的附着性能1 1 2 4 2 履带行走系统在软性土壤上的附着性能1 1 2 5四摆臂复合式越障机器人的分析及修改1 3 2 5 1 结构概况1 3 2 5 2 不同行走状态下的动作序列分析1 4 2 5 3 存在问题分析及改进囊1 5 2 6本章小结1 6 3主从履带复合式越障机器人虚拟样机的建立1 7 3 1 r e c u r d y n 的基本算法17 3 1 1 相对坐标运动学1 7 3 1 2r e c u r d y n 对履带子系统中接触的处理“1 9 3 2 r e c u r d y nh i 曲m o b i l i t yt r a c k e dv e h i c l e 对履带子系统的处理”2 1 3 2 1 建模及仿真步骤2 l 3 2 2 履带子系统建模参数描述2 1 3 3主从履带复合式越障机器人履带系统组成零件参数2 7 3 4在硬质路面上的仿真结果2 9 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 3 5在软性路面上的仿真结果3 4 3 6本章小结4 2 4 主从履带复合式越障机器人样机在斜坡路面的行驶仿真4 3 4 1一般车辆在斜坡路面行驶的分析4 3 4 2 在2 5 度硬质坡面上的行驶仿真”4 4 4 3在2 0 度粘土坡面上的行驶仿真4 6 4 4本章小结4 9 5 主从履带复合式越障机器人越障仿真5 0 5 1单级障碍越障分析及仿真5 0 5 1 1 越障中参数变化分析5 0 5 1 2 样机的试越障仿真及对样机的调整5 2 5 1 3 对动作序列的调整及仿真变量设置5 3 5 1 4 仿真结果及分析5 8 5 2多级楼梯障碍越障分析及仿真6 8 5 2 1 仿真参数设置6 8 5 2 2 结果及分析6 9 5 3本章小结7 l 结论7 2 致谢7 9 参考文献7 4 附录- 7 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果”8 0 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1引言 随着科技的进步和社会需求的提高，机器人技术得到迅速而广泛的发展， 其应用己逐渐渗透到人类社会生活的各个领域，对我们的生产生活产生了深 远地影响。在工业中，机器人的应用使人类可以摆脱一些程序化、低效率、 繁琐枯燥的工作，显著地提高劳动生产率，降低生产成本，这类机器人如焊 接机器人、装配机器人、搬运机器人等；在军事上，排爆机器人、侦察机器 人等代替人们在危险的地方完成任务，以减少人员伤亡；在日常生活中，机 器人也已经涉及到了导游、医疗、教育、娱乐、清洁等多个领域，为人们提 供生活便利，提高生活质量；在科学研究方面，机器人更是发挥着无可比拟 的优势，帮助人类完成自身无法完成的工作，如水下机器人潜入深海进行沉 船打捞、资源探测等，星际探测机器人探测外太空，成为人类探索宇宙的先 锋。如今，机器人技术己是集合了自动控制、信息和传感器技术、机械工程、 计算机科学、人工智能等多方面的交叉前沿学科，机器人的应用情况，是一 个国家工业自动化水平的重要标志。 有关机器人的研究最早起源于机械操作手的研发，这也是最早成功应用 于工业生产中的一类机器人，例如焊接、喷漆、搬运等机器人。这种机器人 可看作人类手臂动作和功能的模拟和扩展，其目前发展的方向是更加拟人的 多指灵巧手，可以使机器人更灵活、更通用，可实现更加精细的操作。这类 机器人一般重复程序化的操作，工作在固定的、结构化的环境中。随着人类 需求的发展，人们期望机器人能够自主运动，在更广阔的范围内工作，从而 产生了机器人的另外一个研究分支：移动机器人，它们可以看作是对人类行 走功能的模拟和扩展。 移动机器人是指能够在室内、道路及野外等各种结构化、非结构化环境 连续实时自主运动的智能机器人，是一种将环境信息感知、动态决策与规划、 行为控制与执行等多项功能集于一体的高度智能化的系统。其工作环境可能 是在城区和建筑物内，包括平地、阶梯、楼梯、坡地等，也有可能是自然界的 各种常见地形，如草地、泥地等。由于在执行某些特定任务时，要求移动机 器人不是避开障碍或复杂地形，而是要适应并越过它。所以，越障能力是移 动机器人适应各种结构化、非结构化环境的必要功能。 总的来看，机器人移动机构有三种类型：轮式、履带式和腿式。轮式机 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 器人具有结构简单、控制方便、速度快、运动灵活和能耗低等优点，但是它 不适合于跨越像沟壑、台阶、楼梯等障碍，越障能力差。履带式结构的机器 人相比轮式结构的机器人有着较强的地形适应能力，在陡峭地形、复杂环境 下有着较高的越障能力和良好的环境适应性。但由于存在较大的摩擦力阻力， 特别是在长距离、高速度运动过程中或者是转弯时，其能耗很高。从理论上 来讲，腿式机器人是最灵活的运动机构，但它通常具有复杂的机械结构并且 控制困难，要想实现稳定高速的行走，还有诸多难题需要解决。 复合式越障机器人是适形越障机器人( t e r r a i na d a p t i v ev e h i c l e ，t a v ) 的一种。复合式越障机器人有多种结构形式，如轮腿式、轮履带式等。其 共同特点是具有很强的环境适应能力，既可充分发挥其中的某一种驱动机构 在特定环境下所具有的优势，又可利用多种驱动机构各自具有的特点，通过 这些机构之间的协调合作以完成诸如在泥泞地面行走和跨越障碍等各种不同 的任务。因此，对复合式越障机器人进行深入的研究，为研究自主移动机器 人、探险机器人、巡检机器人及反恐机器人提供行走越障的平台，具有积极 的意义。 1 2国内外研究现状 对于复合式越障机器人，国外有着广泛研究，如i r o b o t 公司为美国军方 提供的炸弹处理型机器人“p a c k b o t ，它使用一对主履带和一对副履带的四 腿形式，能适应崎岖不平的地形环境和楼梯，主要执行侦察任务、寻找幸存 者、勘探化学品泄漏等任务，在战场上已经实现了广泛应用并发挥了巨大作 用，对于非结构地形显示出良好的适应性。 日本有轮腿移动机器人“r o l l e r w a l k e r ”心，这种机器人采取滑地走 的形式，通过四腿的摆动驱动滑轮在地上滚动，使机器人前进；还有关节履 带机器人“a n d r o sv - a 等，。国内主要有中科大沈阳自动化研究所的“灵 蜥”反恐防暴机器人h ，等，它也逐渐开始在防暴等领域应用，研发有a 型、b 型、h 型、h w 型等一个系列，但其主要针对的是结构化地形。 对于复合式越障机器人的运动特性，国内也有着广泛的研究，田纳西大 学的c h e n 等对一种关节式履带机器人进行研究，并实现该机器人的自主跨越 斜坡障碍哺】k i m 和c h o i 等建立了所研制的关节式履带机器人通过楼梯障碍 时的力学模型m ，；北京理工大学的段星光等分析了一种小型轮履带复合型移 动机器人通过台阶、斜面、楼梯等障碍的越障特性n 1 ；南京理工大学的冯虎 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 田等建立了六履带小型地面移动机器人部分越障姿态的动力学模型；中科 大沈阳自动化所的马金猛等对“灵蜥”机器人的腿履带复合越障过程进行动 力学建模，并分析了电机驱动力矩与机器人速度及障碍物高度等之间的关系。 图1 - 1“p a c k b o t ”实物 f i g 1 - 1 p a c k b o t 图1 - 3 “a n d r o sv - a ”实物 f i g 1 3 a n d r o sv a 图卜2 “r o ii e r - w a ik e r ”实物 f i g 1 2 r o ii e r w a ik e r 图卜4“灵蜥”实物 f i g 1 4 l in x i 由于此类机器人结构复杂，系统开发涉及多学科和多领域知识，研究成 本较高，开发风险大，所以在实际样机制造之前，有必要先进行仿真研究。 作为当前仿真技术发展的三个主要方向之一，虚拟样机技术是自上世纪迅速 发展起来的一项计算机辅助工程技术。它进一步融合信息技术、先进制造技 术和先进仿真技术，突出特性是用数字化形式的数字原型替代传统的物理样 机，最适合用于系统仿真。因此基于虚拟样机的联合仿真技术平台，对机器 人在各种地形条件下的动态性能进行分析，为进一步制作物理样机提供了理 论和实验依据，对缩短机器人的研发周期、规避科研风险都有很大的意义。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3本文的研究内容及章节框架 1 3 1本文的研究内容 本文对实验室中已开发出物理样机的复合式越障机器人进行定性的性能 分析，提出修改建议；将修改后的复合式越障机器人在仿真软件中建模，计 算其在基本行驶状态( 平地、坡地行走) 下的各种运动学和动力学参数，根据 其在仿真过程中出现的问题对模型再次修改；设计在不同障碍时，样机越障 的动作序列，并进行仿真，找到可以实现成功越障的动作序列，并得到这些 动作过程中运动学参数和动力学参数的变化。 1 3 2 本文的章节框架 本文组织结构如下。 第1 章简述了复合式越障机器人的研究背景及意义。 第2 章叙述了履带式车辆在平地上的行驶原理，包括其运动学、行驶力 学和附着性能等，分析影响其行驶及越障性能的关键因素。并对实验室现有 的四摆臂式复合越障机器人参数进行描述，分析其动作序列，并提出主从履 带复合式越障机器人。 第3 章建立了主从履带复合式越障机器人的虚拟样机平台，并进行其在 平地硬质及软性地面上的行驶仿真； 第4 章针对坡度和路面性质不同的坡面，进行样机的行驶仿真，并就坡 面行驶状态提出样机结构修改建议； 第5 章针对不同高度的硬质台阶地面，设计机器人的越障动作，通过仿 真验证其可行性，并通过分析找出其中的关键影响因素。并在此基础上，针 对硬质楼梯地面，设计机器人动作序列，进行爬越仿真。 最后是论文总结与展望。对以上分析结果进行整理，提出针对不同地形 的修改建议，及相关的动力学数据，为驱动设计提供依据。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 2履带行走系统原理及四摆臂复合式越障机器人 2 1 履带行走系统平地行驶的运动学 履带行走系统平地行驶过程中的力学分析相对轮式行走系统要更为复 杂。它行驶时动力流从马达经过车辆内部系统传递到地面，由地面形成推动 力。当马达带动驱动链轮转动时，与驱动链轮相啮合的链轨及履带有相对移 动的趋势，但由于履带与路面之间的附着力大于驱动链轮、引导轮、负重轮 和托带轮的滚动阻力，所以履带不会滑动，而是这些轮系沿着铺设的链轨滚 动，从而驱使履带车辆行走“。 履带行走系在水平地面的直线运动，可以看成是轮系和支架相对于接地 履带的相对运动和接地履带对地面的滑转运动合成的结果。由于轮系及支架 相对于接地链轨的运动速度与链轨相对于轮系及履带的运动速度大小相等， 方向相反，因此可将支架等看成静止不动，而履带在驱动轮的带动下以一定 速度围绕驱动轮、引导轮、负重轮、托带轮等做“卷绕”运动，即简化为一 般链传动处理。 a ) 履带行走系链传动简化图 b ) 履带行走系挠性传动简化图 图2 - 1履带行走系简化模型 f ig 2 1s i m p ii f ie dm o d e io fl ：r a c k e d v e h i c i e 由于链传动的运动不均匀性，驱动轮等角速度旋转时，履带线速度呈周 期性变化，分别在1 位置和2 位置取最大线速度和最小线速度( 见图2 一l a ) ， 因此车辆的行驶速度也呈周期性变化。 为简化分析，使驱动轮有效啮合齿数增大到无限大，使履带转动的线速 度无限趋近于平均速度，此时可将履带看成一条挠性带( 见图2 1 b ) ，即有履 带车辆理论行驶速度为 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 v t = k 咴 ( 2 1 ) 其中，蜥为车辆理论行驶速度，k 为驱动轮动力半径，咏为驱动轮角速 度。动力半径r k 原指切线牵引力线到轮心的距离，对于履带行走系，驱动轮 的动力半径和滚动半径接近一致，因此以下都用滚动半径代替，即有 r k ：z k l t ( 2 2 ) 2 _ l z z ， 其中t 为链轮节距。 2 2履带接地比压及其与沉陷深度的关系 2 2 1履带接地比压 履带单位接地面积所承受的垂直载荷，定义为履带接地比压。即 门 p = 二l( 2 - 3 ) 。2 比 式中：只一一履带平均接地比压，k p a ； g 一一车辆工作重力与垂直外载荷的合力，k n ； b 一一履带接地宽度，m ； 三一一履带接地端长度，i l l 。 履带平均接地比压是研究履带一地面附着力矩的基础，它与沉陷深度的关 系，是土壤参数和机器参数在统一系统中的有机结合。为简化设计，使接地 比压不受重心偏心的影响，须在设计中尽量确保质量左右、前后对称分布， 使重心位于车体水平面的几何中心“。 2 2 2履带接地比压与沉陷深度的关系 将城乡常见的路面分为硬质路面和软性路面两种，硬质路面包括水泥路、 柏油路、压实土地等，通过接触力描述履带与地面相互作用力，即 f ：- k ( q q o ) 。一c 毒 ( 2 4 ) 其中，f 为地面压力，q q o 为沉陷量；k 为刚度；c 为阻尼；试验证明 指数力为2 3 所得出的仿真收敛和速度最佳。 软性路面包括沙地、雪地、松土壤地等。m g b e k k e r 曾提出的垂直载荷 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 与土壤变形关系的经验式，即 p = ( 睾+ k ) z “ ( 2 - 5 ) 式中：p 一一试验压板接地比压，k p a ； 以一一土壤粘性成分所决定的变形模量，k n m ”1 ； 疋一一土壤粘性成分所决定的变形模量，k n m 叶2 ； ，2 一一土壤变形指数； z 一一试验压板沉陷深度，m 。 此式基于土壤力学，对于试验确定土壤参数屹、砭、n 是很有效的，但 由于它未考虑到其它影响履带沉陷深度的机械结构参数，如机器重力g 、履 带接地区段长三、履带轨距b 、机器横向偏心距和纵向偏心距等，因此不宜 作为确定履带式机械履带沉陷深度的通用计算式。 由于m g b e k k e r 的试验表明，对于干松土壤，群= 0 ；对于塑性过饱和 水分粘土，心= 0 ，土壤变形指数，z 一般大于0 小于2 ，一般软硬之间的自然 土可取1 。 将系数( 等+ 髟 简化为只( 试验取得) ，因此对于履带沉陷深度的研究， 更多的采用以下简化式： z = 二-(2-6p ) 只 式中，尸为履带接地区段部位的接地比压，k p a ；只为土壤抗陷系数， k p a m ，即履带接地区段沉陷1 m 所需要的接地比压，对确定土壤来说，这个 参数是常数，其值由试验测定。 当接地比压呈均匀分布式，可得 z ：一p ：j 一 ( 2 7 ) 只2 b l p o 地面土壤种类确定时，可从表2 1 中查出相应只值，求得履带的沉陷深 度。 这种根据机器实际接地比压确定履带沉陷深度的方法只是近似的，因为 假设土壤是均质的，并忽略由于履带沉陷后接地长度产生的微小增量的影响。 若土壤中夹杂有石块或其它坚硬物，则上述规律被破坏。 得到履带最大接地比压后，需用地面土壤的最大容许比压只。( 即履带挤 压土壤沉陷深度不大于0 1 5 m 时的接地比压) 校核，当最大接地比压不超过土 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 壤最大容许比压时，机器在地面才能正常行驶，这是验证通过性的重要依据。 履带式车辆的接地压力一般为4 0 至5 0 k p a ，而轮式车辆约为l o o k p a ，因此履 带式车辆有更好的通过潮湿松软地面的能力。 表2 - 1各种常见土壤的抗陷系数和最大容许比压 t a b 2 1pa n dr 。，o fs ois 2 3 履带行走系统的行驶力学 2 3 1履带行走系统的力学系统 因此对于履带车辆来说，履带板和路面间的附着力是行驶的外阻力，驱 动链轮提供的驱动力与链轮、支重轮和导向轮的滚动阻力之差为地面牵引力， 行驶时首先要克服行动装置中的损失( 行动装置阻力) ，才能为克服外阻力提 供推进力( 可传递的牵引力) 。 根据以上所述力学平衡关系，有 m k - m f ：冗一层：& ( 2 8 ) 气 式中，帆为驱动轮转矩；螈为内部总阻力矩；，k 为驱动轮半径；e 为 驱动轮驱动力；足为地面牵引力；e 为内部摩擦总阻力，即行动装置阻力。 有效牵引力异可表示为 耳= 最一最 ( 2 - 9 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 其中b 为外部行驶阻力。 定义行驶阻力系数为履带挤压土壤而产生的变形阻力的水平分力与机器 重力之比值及内摩擦阻力系数之和，即有 p = 等+ 五 ( 2 1 0 ) u 式中：厂一一行驶阻力系数； f 。一一土壤水平变形阻力，k n ； g 一一机器重力与垂直外载荷的合力，k n ； 六一一机器内摩擦阻力系数( 一般取工= o 0 7 ) 2 3 2履带行走系统的内部行驶阻力 。p 内部行驶阻力包括主动轮和履带链的啮合摩擦阻力，支重轮和张紧轮在 履带上的滚动摩擦力，支重轮、托带轮和张紧轮转动时轴承、密封件内部产 生的摩擦力等，这些摩擦力只与履带式车辆的质量大小和支重轮、导向轮等 轮系的结构、材质及润滑条件有关，而与路面状态无关，在履带式行走系车 辆的设计中，为简化计算，一般取内摩擦阻力系数为0 0 7 n 7 川“”。 2 。3 3 履带行走系统的外部行驶阻力 外部行驶阻力主要是指地面由于受到履带挤压而产生的变形阻力，当机 器重心与履带行驶装置几何中心重合时，土 地区段最前端，其余部分将不产生附加土壤 总的土壤水平变形阻力为 = i b + l ( 【6 c + 其行驶阻力为 行驶阻力系数为 n 2 赢孓2 0 + 1 ) ( 半+ k 平 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 厂专怡一g 一工 ( 2 _ 1 3 ) 式中：n 一一土壤变形指数； b 一一履带宽度，m ； z 眦一一履带最大沉陷深度，m ； 表2 - 2 提供对各种常见地面的履带行驶阻力系数的试验值，供理论计算 参考用。 表2 - 2履带式车辆行驶阻力系数及附着系数 t a b 2 - 2，a n d 够o ft r a c k e d v e h ic i e 路面条件 行驶阻力系数厂附着系数妒 表2 - 3轮式车辆行驶阻力系数和附着系数 t a b 2 3，。a n df po fw b e e ie d v e h i c i e 地面状况行驶阻力系数厂附着系数妒 表2 - 3 给出轮式车辆的行驶阻力系数及附着系数，可以看出轮式车辆的 行驶阻力和附着系数更小，行驶在相同硬质路面上时其需要的动力较小，但 在软性路面上通过性较差，易发生打滑等现象恤 心“。 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 2 4 履带行走系统的附着性能 如上所述，车辆行驶驱动力的产生需要两个条件。 ( 1 ) 依靠马达提供转矩，经传动系后传递给驱动轮，进而引发驱动力沿履 带切向方向的作用力，这是产生驱动力的内部条件； ( 2 ) 依靠履带与地面的相互作用，把履带对地面的作用力，转化为地面对 履带切线方向的反作用力，这是产生驱动力的外部条件。 在履带与路面不滑转的情况下，可以采用增加马达转矩，加大转动比等 措施来增大汽车驱动力；如果履带在路面滑转，增大驱动力只会使履带加速 旋转，地面切向反作用力并不会增加。因此履带系行驶除受驱动条件制约外， 还受履带与地面附着条件的制约。 2 4 1履带行走系统在硬质路面上的附着性能 对于硬质路面来说，附着作用的产生主要是依靠地面与履带接地表面之 间的摩擦作用，软性土壤附着力的产生主要依靠土壤与压入土壤中履刺间的 剪切作用。驱动力的发挥受到附着力的限制，实际发出的驱动力，只能小于 或等于附着力，而不能大于附着力。 在硬路面上，附着力与地面对履带的法向反作用力e 成正比，即 c = 疋缈 ( 2 1 4 ) 其中矽为附着系数，它由路面和履带接地面决定。履带与常见路面的附 着系数见表2 - 2 。 2 4 2履带行走系统在软性土壤上的附着性能 2 4 2 1土壤的剪切应力与变形的关系 土壤在履带运动产生的剪切力作用下，内部之间会产生相对位移的趋势， 这种趋势受到土壤抗剪强度( 即当土壤应受剪切而失效时，抗剪应力r 达到的 最大值乙) 的制约，土壤抗剪强度是决定履带行走系发挥多大牵引力的主要 因素“。 根据库伦的平面直剪试验结果，把土壤抗剪强度表示为土壤粒子间的粘 着和摩擦两项组成的半经验公式，即 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 f 。= c + g t a n o ( 2 1 5 ) 式中：f 。一一土壤抗剪强度； 仃一一剪切面上的垂直压强； 够一一土壤内摩擦角； c 一一土壤内聚力。 根据j a n o s i 的剪切一位移理论，塑性土壤上( 松散的土壤，如饱和粘土、 干砂、千雪及多数搅动过的土壤等) 上有剪切应力与变形关系的公式为： f = r m 1 一p 一3 k 】= ( c + 仃t a 皿够) 1 一e 一。k 】 ( 2 1 6 ) 式中：，一一土壤的剪切位移，在支承段上沿j 坐标轴方向各点，不相 等，可表示为，= f i x ，其中x 为支承段上任意一点距前缘的 距离，万为滑转率，见图2 - 2 ； k 一一土壤的水平剪切变形模量； 器 ， 【 一 x 一 a ) 履带支撑段示意图 b ) 土壤剪切位移沿支承段变化 图2 2 土壤剪切位移沿履带支承段的变化 f i g 2 2c h a n g eo fs o il s h e ard is p i a c e m e n ta i o n gt r a c ks u s l ：a ins e c t i o n 2 4 2 2切线牵引力与土壤剪切应力的关系 履带系行驶时，履带与土壤接触各个部分产生的土壤反作用力的水平分 力，形成了沿履带系方向作用的切线牵引力。松软路面，切线牵引力主要由 土壤的抗剪力产生，即 最= i v d a ( 2 17 ) x 当履带支撑面积为记时，有 k 最= 2 b ir d x ( 2 1 8 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 多数土壤为塑性土壤，代入j a n o s i 公式后可得 匕 最= 2 b i ( c + 仃t a l l 妒) ( 1 - e a 涨) d x ( 2 - 1 9 ) 五 由以上分析可知，履带附着力受下列因素影响： ( 1 ) 履带材料 ( 2 ) 地面种类，地面湿度 ( 3 ) 履带着地长履带宽之比 ( 4 ) 行驶速度和打滑 ( 5 ) 履带节距 为提高履带行走系的行驶性能，不能盲目的提高马达的输入转矩，还需 采取其它措施增大履带的附着力，如采用橡胶履带以增大履带接地面的摩擦 系数，选用合适的履带着地长宽比等。由于影响因素繁多，因此需要综合进 行考虑。 2 5 四摆臂复合式越障机器人的分析及修改 2 5 1结构概况 图2 - 3四摆臂式复合越障机器人实物 fig 2 - 3f o u r s win a r mo b s t a cie s u r m o u n tin gr o b o t 实验室现有一四摆臂式复合越障机器人平台，见图2 3 及2 4 。此机器 人主要针对城乡常见的结构及非结构地形，如水泥地面、粘土地、草地、阶 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 梯、楼梯、缓坡等。 汐 转臂传动 齿轮 整机模型b )传动部分模型 图2 - 4四摆臂式复合越障机器人模型 m o d eio ff o u r s win a r mo b s t a cie s u r m o u n tin gr o b o t 此样机采用四摆臂的形式，每臂有一主驱动轮、一导向轮和一支撑板组 成一履带系统。两履带系统中的驱动轮和导向轮皆采用同步轮，履带采用橡 胶质的同步带，轮和履带通过啮合传动。机器人结构参数如下： 臂长：2 2 0 m m 主驱动轮直径：中1 5 0 r a m 小带轮直径：中6 0 m m 带厚：12 m m 两主驱动轮间距：2 8 2 m m 主驱动轮安装中心到车体下地面距离：3 5 m m 在传动系统上采用了内外轴的结构，内轴连接主驱动轮，使用蜗轮蜗杆 传动；外轴连接支撑板，使用齿轮为高速级，蜗轮蜗杆为低速级的二级传动 形式。 ， 2 5 2不同行走状态下的动作序列分析 常见行驶状态有以下几种。 ( 1 ) 平地行驶：状态图见图2 - 5 a ，使前后主驱动轮转，转臂放下一定角 度，车体前进。 ( 2 ) 爬阶梯：姿态一，首先使前臂抬起一定角度，后臂放下一定角度，前 后主驱动轮转动，车体前进使前臂靠近台阶( 图2 5 b ) ；姿态二，前臂爬上台 4 神 卜 g f 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 阶后转动一定角度，使履带下表面与地面齐平，前后主驱动轮停止( 图2 - 5 c ) ； 姿态三，后臂反向转动，使引导轮朝向车体一侧( 图2 5 d ) ；姿态四，两臂同 时转动相同角度，撑起车体，使车体重心通过阶梯( 图2 5 e ) ；姿态五，后臂 抵住阶梯后停止转动，后主驱动轮开始转动，同时前臂继续转动，使车体放 下r 与地面平行( 图2 5 f ) ；姿态六，前后主驱动轮都转动，车体前进( 图2 - 5 9 ) 。 q 三佥 a ) 平地行驶b ) 爬阶梯姿态一c ) 爬阶梯姿态二 d ) 爬阶梯姿态三 e ) 爬阶梯姿态四 f ) 爬阶梯姿态五g ) 爬阶梯姿态六 图2 - 5 四摆臂式复合式越障机器人动作序列 f i g 2 - 5 m o v e m e n ts e q u e n c eo ff o ur s w in a r mo b s t a c i e s u r m o u n t i n gr o b o t 2 5 3存在问题分析及改进 2 5 3 1存在问题 四摆臂复合式越障机器人除平地、缓坡行走外，并不能完成其它动作， 分析其原因如下。 ( 1 ) 车体过重，履带摩擦系数小，电机能量转化效率低： ( 2 ) 纵向两摆臂间履带不衔接，越障高度有限，需依靠复杂动作序列实现 较高越障； ( 3 ) 履带行走系的驱动轮和导向轮之间距离较大，两轮间没有设置负重 轮，从而降低了接地面积，没有充分发挥出履带行走系的优点。他副 2 5 3 2修改意见 对四摆臂复合式越障机器人提出以下修改意见。 ( 1 ) 将前后各由两履带系统组成的四腿结构，改为由一对安装在主车体上 的主履带行走系统和一对从履带行走系统组成的主从履带腿结构，使整车的 兰 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 履带行走系相互连接，在保证越障高度不变的前提下降低电机的数目，并只 依靠调整车轮的速度和转角控制其姿态，不增加其他的接触和力传感器，降 低控制难度； ( 2 ) 参考a t v 修改所使用的履带行走系，增加压紧轮及支重轮，保证和非 结构地面的作用力。履带使用轮齿式可交换型橡胶履带，它可以有效的降低 整车重量，减小振动和噪音，并提高牵引力。 新模型结构参数如下： 整车长度：7 6 5 m m 主履带系统总长：5 4 0 m m 从履带系统总长：3 8 5 m m 整车宽度：6 6 0 m m 履带行走系宽度：7 5 m m 履带行走系高度：1 7 1 m m 2 6 本章小结 本章讨论了履带行走系统的行驶性能与土壤性质的关系，分析影响其行 驶阻力和通过性的关键因素。对已有四摆臂式越障机器人进行描述，给出其 部分结构参数，并对其平地行驶、翻越障碍的动作序列进行分析，认为其存 在的问题是履带行走系统不连续，使样机在无动作行驶时性能无法与一般履 带式车辆相比，效率降低；履带行走系的设计过于简单，所使用的履带、驱 动轮及辅助系统都无法发挥出这种行走系统在非结构路面的优势。因此对这 种构型的越障机器人进行调整，将其更改为有一对主履带系统和一对从履带 系统形成的主从履带复合式越障机器人，以下将就这种机器人进行性能分析。 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 3主从履带复合式越障机器人虚拟样机的建立 由以上分析可以看出，复合式越障平台相比一般的轮式移动平台行驶状 况更为复杂，体现在： ( 1 ) 行走工作零件更多、除驱动轮和履带外还有负重轮、托带轮等。 ( 2 ) 其工作路面类型更多，除轮式移动平台可工作的硬质路面外，还有种 类繁多的软性路面，不同路面的路面和土壤参数各异。 为降低其虚拟样机模型建立的难度，选择多体动力学软件r e c u r d y n 作为 仿真工具。r e c u r d y n ( r e c u r s i v ed y n a m i c ) 是由韩国f u n c t i o n b a y 公司基于递 归一算法开发出的多体系统动力学仿真软件。它采用相对坐标系运动方程理 论和完全递归算法，非常适合于求解大规模及复杂接触的多体动力学问题。 r e c u r d y n自带r e c u r d y n t r a c kh m 高机动性履带工具包和 r e c u r d y n t r a c kl m 低机动性履带工具包，其中包括了丰富的履带系统组件， 可参数化地调节各部件的几何形状，利用这些部件，可以快速建立低机动履 带样机，分析诸如履带链接和地面之间的相互接触特性，以及各种工况中出 现的结构问题，从而有效避免履带行走系建模时零件繁多、接触复杂、运动 路径多变的问题。 3 1r e c u r d y n 的基本算法 3 1 1相对坐标运动学 一个刚体在空间中的位姿通常由其质点确定，即 - q l q 2 口1 3 彳= l 嘭l 口2 2 吃3l = f gh 】 【_ 口3 1 口3 2码3 j 其中的f 、g 、h 分别是x 、y 、z 轴的单位矢量，见图3 1 。 。点在x - y - z 坐标系中的速度和虚位移定义为 三 和 ： ， x i 】，一z 坐标系中定义为 y 稍= 黼 ( 3 - 1 ) 则它们在 ( 3 - 2 ) x 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 5 z = 5 万w i = a 5 万w r = il = i - 个。i l 1 i 图3 - 1一个刚体在空间中的位姿 fig 3 1p o sitio na n da 1 ：1 ：i t u d eo frig idb o d y 图3 - 2两相邻刚体的运动学关系 ( 3 - 3 ) fig 3 - 2 kin e m a l ：icr eia tio n s hipb e l ：w e e n1 ：w oa d j a c e n l ：rig idb o d y 对于一对相邻的刚体来说，如图3 2 ，其递归速度方程为 y i2b ( i - 1 ) ii y ( i - 1 ) + b u - 1 ) i 2 c l ( i 1 ) i ( 3 - 4 ) j ；：c 户，b 。；一。，；。= = a 7 言1 ) 1 ，。，：。，； 丢一( ( i 一1 ) i + a ( i 1 ) 1 二。l ( i 一1 ) i 季i ( i 一1 ) a 7 ( i 1 ) b。卜。，；。=。l7苫1)1a，二。，。d(i-1)i)q(i1)i_pli：篡!；：一1)lt(i1)iii(i1)1 其中，由为系统广义速度列阵，h 是坐标系的旋转角 b ( i 1 ) i 1 和b ( i _ 1 ) i z 只和刚体i 一1及i 铰点坐标系相关。 ，可以看出矩阵 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 3 1 2r e c u r d y n 对履带子系统中接触的处理 当履带围绕样机组件运动时，它的轨迹是由接触力来控制的，而接触力 可通过搜索检测接触条件计算出来。接触碰撞算法主要包括五个方面：负重 及张紧轮与履带的接触、引导轮与履带的接触，链轮齿与履带销轴的接触、 履带侧面与链轮的接触、地面与履带接地面的接触。接触点及渗入深度是由 搜索规则确定的，然后在零件接触面的接触点上使用一个集中力来表示接触 力。 t 3 1 2 1引导轮与履带接触的处理 引导轮与履带的接触可以分为两种类型，一是轮与履带接触，一是轮侧 面与履带接触，为了有效搜索接触，采用了预搜索和后期搜索算法，如图3 - 3 。 在预搜索算法里，定义了与轮心相关的边界圆，在所有的履带块中探测可能 与轮接触的起始块和终止块；后期搜索是在边界圆上对履带块进行的更细化 的接触检查，一旦分析前通过预搜索确定了起始块和终止块，从下一个时间 步起就只使用起始块和终止块的信息进行细化搜索。 勘晰增 * 嗡礴 纩、激了 图3 - 3轮与履带块的接触 f i g 3 - 3 w h e e ia n dt r a c kiin k in t e r a c t i o n s 3 1 2 2 链轮与履带接触的处理 链轮与履带的接触处理也可