一種可重構移動作戰平臺對接機構設計與實驗

唐術鋒，王國慶，郭子瑞

(內蒙古工業大學， 呼和浩特 010051)

可重構賦予了機器人自主變形的能力，相對于傳統的機器人具有顯著的功能和經濟優勢，特別在軍事、救災搜索、海洋探測等眾多非結構性環境具有廣闊的應用前景[1-2]，受到了國內外科研機構越來越多的關注。對接機構作為自重構移動作戰平臺結構設計的重要部分，靈活可靠的對接機構是機器人實現重新構型的重要基礎[3]。根據對接機構模塊的運動能力可以分為兩類[4]:第一類是關節模塊,模塊本體不具有運動能力。國內外研制出的關節模塊有葛為民等研制的M2SBot模塊[5]，利用獨特的正弦加速度槽凸輪式對接鎖緊機構；上海交通大學費燕瓊等人研制的M-Cubes模塊，通過驅動連接面的旋轉和銷的伸縮來完成對接[6]；AIST 的M-TRAN Ⅱ模塊[7],其對接面上的磁鐵吸合實現連接，脫離時則由形狀記憶合金(SMA)受熱伸展提供驅動力。另一類為自主移動模塊，其優點是單體模塊可以移動，也可以通過對接機構實現對接。國內外研制的自主移動模塊有瑞士Swarm-Bot模塊[8]，它配備了主動和被動兩種對接方法，可以實現抓取相鄰單元或被相鄰單元抓取；北京航空航天大學[9-10]研制的履帶式模塊機器人JL-2，提出了一種抓持式對接機構上述連接機構在一定程度上實現了自重構機器人的連接和分離功能；哈爾濱工業大學何成林等[11]設計了基于電磁鐵的卡爪、卡盤對接機構。但對于已經投入使用的大多數小型移動機器人，其對接機構存在著容錯性差，對接不牢靠以及不能實現柔性對接等問題。這些問題的關鍵在于對接機構不具備自適應能力，具有一定自適應能力的對接裝置，其機構相對復雜。針對以上問題，設計了一種具有自鎖功能且對接簡單可靠的對接機構，分析了對接機構的工作原理，進行了整體結構設計和機構力學分析，用ADAMS機械系統仿真分析軟件對對接機構模型進行運動學仿真，最后進行了實物實驗研究。

1 對接機構設計

1.1 對接機構原理性分析

經過對現有投入使用的可重構移動作戰平臺分析可知，對接機構是整體作戰平臺系統的重要一環，其不僅可以體現移動作戰平臺的可重構性，還可以提高單一作戰平臺的越障性能，實現多機協作作戰的新模式，如圖1。

圖1 多機協作作戰平臺示意圖

在高低起伏的地形環境下，可重構作戰平臺剛性對接的實現難度非常大，但在現實情況中高低起伏的地形對于自重構移動作戰平臺卻是十分尋常的情形。為了使自重構移動作戰平臺具有一定的自適應能力和滿足所需要的柔性對接能力，就需要將之前對接機構的完全約束轉變為欠約束，但欠約束的同時也對連接的可靠性產生了很大的影響。對于崎嶇地形的柔性對接問題，其可行性解決思路為：將對接機構和可重構移動作戰平臺的連接部分做成球鉸機構，運用球鉸關節部分一定的自適應和保持能力提升對接機構的可靠性。其對接機構原理如圖2所示，對于對接機構的關鍵部分鎖緊裝置，其設計也需要具有一定的被動自適應能力，為此鎖緊機構的鎖定采用“孔-銷”的鎖定方式。具體來看：選定使用連桿滑塊機構，并利用彈簧來限位的裝置，隨著對接頭弧面的曲率半徑的不同，鎖緊裝置會在彈簧和對接頭的共同作用下上下滑動，使其具有很強的可靠性、穩定性。由于該對接機構具備一定的糾偏能力和較大的靈活性，在相位偏差較大的情況下也能實現成功對接。

圖2 對接機構原理示意圖

1.2 對接機構整體結構設計

對接機構整體結構由對接頭裝置，對接座及安裝在上的對接鎖緊裝置組成。對接頭裝置是由錐形對接頭，連接在錐形對接頭的向心關節軸承和支撐彈簧組成，如圖3所示。錐形對接頭大致由三段構成，第一部分為圓錐構型，在對接過程中推動限位桿移動，使對接機構能夠順利進入。第二部分為圓弧面，其主要作用是與限位桿圓弧面相配合起到限位作用；第三部分為階梯圓柱構形，其直徑最小的桿與關節軸承相連。

圖3 對接頭裝置結構示意圖

對接座上有比對接頭稍大的圓孔，可以起到輔助定位的功能。對接鎖緊機構主要由電磁銷、鎖緊桿、限位滑塊、彈簧、連桿、滑動支桿組成，如圖4所示。當兩個移動機器人開始對接時，錐形對接頭的頭部首先接觸鎖緊桿并隨著頭部尺寸的增大，使鎖緊桿不斷上移并且壓縮彈簧，同時在連桿的帶動下限位滑塊在支撐桿上滑動。當越過錐形連接頭的最大直徑，鎖定桿在彈簧的作用下向下移動，鎖定桿的圓弧面和錐形連接頭的圓弧面相配和實現了限位步驟。但此時的對接頭并沒有被鎖死，仍能在微小移動機器人前后移動下脫離限位桿的限制。此時的限位滑塊在連桿的帶動下到達預先設定的位置，此時電磁銷動作將階梯軸插入到限位滑塊環形槽的中間鎖定位置，實現了對接機構的鎖定步驟。當自重構機器人分離時只需要將電磁銷斷電，其梯形桿將會彈出，從而限位滑塊又能左右滑動，實現了解鎖功能。

圖4 對接鎖緊機構結構示意圖

2 鎖緊機構靜力學分析

基于虛功原理，對鎖緊機構連桿進行靜力學分析，計算得到外力和各個連桿之間的作用力關系。首先將鎖緊機構簡化為由桿l1～l6組成的六桿機構，同時在l1、l2桿上部連接有彈簧。l1、l2為滑動桿，l3～l4為轉動桿。并建立直角坐標系，如圖5所示。設外力Fl1=Fl2，且分別垂直作用于l1、l2桿的中間。設l2與l6夾角為β，同時簡化六桿機構中各個鉸接點的約束均為理想約束。根據虛功原理可以得到：

圖5 六桿機構示意圖

(1)

即

(2)

k1=k2=k3=k4，δl1=δl2

化簡可得式(3)：

(3)

根據鎖緊機構到達最高點時的k1與Fl1的關系，對于簡化了的六桿機構中的各個桿件進行受力分析，并且建立受力模型。桿l1的受力情況如圖6所示。

圖6 桿l1受力情況示意圖

根據受力平衡以及在坐標原點的轉矩平衡條件，可以得到如下平衡條件:

∑FX=0;F2X-F1X=0

(4)

∑FY=0;Fl1-2F彈-F1y-F2y=0

(5)

∑MO=0；F彈·l1+F2y·l1-0.5Fl1·l1=0

(6)

即：

0.5Fl1·δl1·l1+F2y·l1-0.5Fl1·l1=0

(7)

桿l3的受力情況如圖7所示，將桿l1受桿l3的反力沿x、y軸分解為兩個方向的分力，桿l3與x軸的夾角為α。

圖7 桿l3的受力情況示意圖

根據受力平衡以及在坐標原點的轉矩平衡條件，可得到以下式(8)～式(10)：

∑FX=0;F2X-F1X=0

(8)

∑FY=0;F3y-F4y=0

(9)

∑MO=0；F3xsinα·l3-F3ycosα·l3=0

(10)

3 基于ADAMS軟件的對接機構仿真

首先，將彈簧在PTC中柔性化，并將其文件保存為x_t格式的文件并將其導入到ADAMS中，按照實際情況對于其余零件進行材料的添加。為了方便約束添加，對零件進行著色處理。

模型簡化對于仿真運算非常重要，它不僅讓你明確模型的運動軌跡，也對于模型有了更深層次的認識。為了減少模型的運算時間和運算量，對模型進行以下簡化：

1) 除了在PTC中定義過柔性零件的，其余零件均設置為剛性零件。

2) 對于模型中不參加運動的零件或參與運動也可作為一個整體的零件進行布爾運算操作。

在模型模型簡化之后，對于模型進行約束和驅動的添加，點擊仿真按鍵進行仿真，其對接過程如圖8(a)～(c)所示。

圖8 對接過程示意圖

由圖8可知，對接過程分3個步驟:1) 對接頭即將于限位桿接觸時；2) 對接頭最大直徑處與限位桿接觸時；3) 對接頭凹槽處與限位桿接觸時。

在對接的整個過程中，限位桿力與力矩隨時間變化的曲線如圖9。初始時刻，對接頭未與限位桿接觸時力與力矩不隨時間變化而變化；2.8 s時，對接頭開始與限位桿接觸，力與力矩開始產生變化，并分別在4 s和3.7 s處達到峰值；在4.8 s時完成對接,力與力矩曲線回歸到原始點位。

圖9 限位桿力與力矩變化曲線

在對接過程中彈簧變形量和力的變化曲線如圖10，初始時刻，對接頭未于限位桿接觸時彈簧的變形量與力不發生變化；2.8 s時對接頭與限位桿開始接觸，變形量與力開始變化，并在4 s處同時到達峰值，峰值分別為2.5 N和0.5 mm，對應的最大變化量分別為2.5 N和2.5 mm；在4.8 s時完成對接，彈簧的變形量和力回歸到原始點位。

圖10 彈簧變形量與力的變化曲線

4 對接運動實驗與分析

首先對于對接機構進行實驗平臺的搭建，如圖11所示，并基于對接機構的特性設計了3種不同位置和姿態的實驗方案,同時對于對接機構進行了連接強度測試。

圖11 實驗平臺

1) 對接頭裝置與對接座機構軸線在同一水平面上，將對接頭裝置、對接座固定在可以滑動的支架上，并將電磁銷的接線連接好。實驗人員手動緩慢推動對接座，將限位桿推到對接位置時，然后電磁銷動作將梯形軸插入鎖定位置實現鎖定。如圖12所示，實驗人員松手發現對接座后面的砝碼懸在空中，表明完成了對接。實驗表明，對接機構能夠承受3 N的軸向拉力，具有較好的連接穩定性。

圖12 對接完成(連接強度測試)

2) 對接頭裝置與對接座裝置沿軸線方向呈10°俯角。如圖13所示，將對接座裝置利用螺栓固定在支架上呈10°俯角，對接頭裝置仍水平放置。實驗人員推動對接座支架緩慢移動，錐形對接頭首先接觸下限位桿，并且在關節球軸承和彈簧組合的作用下發生了自適應頭向上偏移。隨著對接座的不斷移動，錐形對接頭位姿不斷改變，當限位桿到達了對接位置，此時電磁銷動作實現鎖定。實驗人員松開手發現對接座后連的砝碼懸停在空中，表明完成了對接。在對接完成的測試中，砝碼質量為300 g，已連接的兩對接裝置并無出現明顯松動現象，表明連接穩定，可靠。

圖13 10°俯角實驗

3) 對接頭裝置與對接座裝置兩軸線豎直距離偏差 5 mm。如圖14所示，調整對接頭裝置，對接座裝置調節成平行于導軌平面。同實驗二相同對接機構也發生了自適應動作，錐形對接頭向下發生了偏移。對接鎖定完成后，實驗人員松開雙手砝碼懸在空中，表明完成了對接。在完成對接的測試中將砝碼質量同樣為300 g，對接裝置無明顯松動。

圖14 豎直偏差5 mm實驗

5 結論

研制成功一種柔性對接機構，具備糾偏和自適應能力，不僅可以提高對接機構的容錯性，而且可以實現多個機器人的可重構性。在豎直偏差5 mm、俯仰偏差10°該對接機構可以成功完成對接。