一種履帶油罐清洗機器人的越障過程分析

奚 旺，王佳楠，王 哲

（1.中國石化大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045；2.南陽新成高架設備有限公司，河南 南陽 473000）

0 引言

隨著時代的發展，機器人在越來越多的領域被應用。已有許多針對機器人在復雜環境下“行走”與繞過障礙物的研究報道。謝永[1]提出新型履帶式高壓線路巡檢機器人的機械結構設計方案，提高機器人運行的穩定性及爬坡性能，采用折疊式柔性機械臂使質心變化平穩。宗成國[2]設計一種關節式雙履帶機器人，由前、后殼體通過旋轉關節組成，極大提高其越障性能。劉昌福[3]設計一種關節式履帶巡檢機器人，分析其翻越圓管障礙、凸臺以及樓梯等障礙時的越障能力以及動態穩定性。陳宗堯[4]設計一種小型關節履帶式機器人，對該機器人在越障過程中姿態調整對越障能力的影響程度進行研究，并采用最優化方法求解了該機器人的最大越障高度。徐如強[5]從六履帶機器人的結構特點和障礙特征著手，對六履帶機器人對臺階、斜坡、溝道等典型障礙特征的越障性能進行探究，得到越障性能與結構參數及越障姿態的內在關系。張世月[6]探究地面附著系數、輪胎半徑、重心位置等參數對六輪移動平臺各輪胎越障能力的影響規律，并提出一種重心主動調整的方法。孫雪蓮[7]對輪式家用監控機器人的運動學正問題和逆問題進行分析，在此基礎上對輪式家用機器人進行歸集分析和動力學分析，建立直線、零半徑自轉、爬坡和臺階越障四種運動下的實驗分析。李特[8]構建機器人在環形凸臺和環形凹槽障礙環境的準靜態越障模型，定量分析螺旋驅動式管內機器人越障動作與約束下最優越障性能。馬廣志[9]以水平井輪式牽引機器人為研究對象，對系統及各部分功能進行理論分析，并對牽引單元和扶正單元正常工作條件下的結構進行分析。李一鵬[10]基于行星輪鏈接式車體結構的新型越障機器人為研究對象，圍繞機器人的結構設計的優化、越障性能的分析及其機電系統的設計展開了研究。宦朋松[11]提出一種輪-腿復合式越障結構，并對其傳動結構、靜力學性能及越障性能進行細致研究。王亞翔[12]開展具有高底盤和強越障特性的機器人研究，完成機器人設計及越障優化，并提出以機械臂的動態規劃來提高越障高度的方法。

本研究基于以上研究，設計一種針對油罐罐底油泥實施自動化清洗的特種機器人。由于油罐底部復雜的工作環境，機器人在運動過程中易發生由于動力不足導致越障失敗，也會因受力失衡進而導致整個系統不穩定甚至傾覆。因此，保持油罐清洗機器人在罐底具有良好的越障性能和穩定性十分重要。

1 模型構建

本研究履帶油罐清洗機器人整體運行環境物理模型如圖1 所示，包括待清洗油罐、陽極塊和油罐清洗機器人。其中油罐清洗機器人整體示意圖如圖2 所示，包括行走機構（履帶機器人底盤）、水射流清洗系統等。為了進一步分析履帶油罐清洗機器人的行走模式，將行走機構進一步分解至如圖3 所示。其行走機構主要由主動輪、承重輪和從動輪組成。

圖1 油罐清洗機器人工作運行環境物理模型

圖2 油罐清洗機器人整體示意圖

圖3 油罐清洗機器人零部件結構示意圖

本研究的小型履帶機器人在ADAMS 環境下模擬履帶機器人通過15 cm 障礙物時的行駛工況。為了加速仿真計算，在保證計算精確的基礎上盡量使模擬結構和運動過程簡單，故對該履帶機器人進行一定的簡化，對履帶機器人的上部水射流清洗系統以及各結構框架不列入討論范圍，且對履帶機器人行走過程影響不大，因此，對除行走機構以外的結構進行簡化。主要是主動輪、承重輪和從動輪的協調促使履帶機器人的行走，并且主動輪、承重輪和從動輪是主要的動力傳輸結構和行動調節結構，因此以主動輪、承重輪和從動輪為主要研究對象，對行走機構進行合理簡化。履帶機器人主要依靠氣動馬達帶動主動輪進行越障，在建模過程中將工作過程簡化為主動輪提供動力，從動輪、承重輪與主動輪保持同速，簡化履帶機器人越障過程的模擬過程。最后建立簡化后的履帶機器人模型，該模型由主動輪、承重輪、從動輪和機體四部分組成，如圖4 所示。利用參數化建模對各部件進行建模并裝配完成整個履帶機器人模型。

圖4 履帶機器人模型

通過測量主動輪速度、履帶機器人整體速度、履帶機器人和主動輪速度對比以及主動輪轉矩，評價履帶機器人的垂直越障能力和工作可靠性。

對于履帶機器人的越障過程，存在3 個經典位置，分別為主動輪、承重輪以及從動輪恰好接觸至障礙物，這3 個位置下的靜力分析對整個越障過程有指導意義。履帶機器人越障過程靜力分析如圖5～圖7所示。F1表示地面（障礙物）對主動輪的支持力，F2表示地面（障礙物）對承重輪的支持力，F3表示地面（障礙物）對從動輪的支持力，θ表示輪運動方向與地面法向方向夾角，ε表示主動輪與從動輪圓心連線與地面的夾角，L1表示承重輪到主動輪的徑向距離，L表示從動輪到主動輪的徑向距離，a表示重心到主動輪的徑向距離，G表示機器人的重力，μ表示地面附著系數，R表示輪胎半徑，O1、O2、O3分別表示主動輪、承重輪和從動輪的圓心，懸架系統被簡化為彈簧，其剛度系數分別設置為k1、k2、k3，h表示重心至O1與O3連線的距離，Hm表示障礙物高度，Δd1、Δd2、Δd3表示彈簧在力的作用下的變化距離。

圖5 履帶機器人從動輪接觸障礙物時靜力分析

圖7 履帶機器人主動輪接觸障礙物時靜力分析

當主動輪接觸障礙物時，如圖5 所示，以O1為圓心建立直角坐標系XO1Y，建立受力平衡方程∑FX=0，∑FY=0 和∑MO1=0，方程展示如下。

對彈簧變形量進行分析有：

整理，有：

當承重輪接觸障礙物時，如圖6 所示，以O3為圓心建立直角坐標系XO3Y，建立受力平衡方程∑FX=0，∑FY=0 和∑MO3=0 與彈簧變形方程如下所示：

圖6 履帶機器人承重輪接觸障礙物時靜力分析

整理，有：

當從動輪接觸障礙物時，如圖7 所示，以O3為圓心建立直角坐標系XO3Y，建立受力平衡方程∑FX=0，∑FY=0，∑MO3=0 與彈簧變形方程如下所示：

整理，有：綜合圖5～圖7 對3 個經典位置的靜力分析，得到有障礙物高度Hm參與的靜力表達關系式。通過上述靜力分析，可進一步對履帶機器人的越障高度進行分析計算。

2 仿真分析

選取履帶機器人通過15 cm 罐底陽極塊過程進行數值模擬，從動輪、承重輪與主動輪轉速相同。模擬過程主動輪的速度曲線如圖8 所示，2.8 s～5.2 s 內主動輪速度變化范圍較大，5.2 s 后履帶機器人完全越過障礙，繼續平穩行駛。

圖8 主動輪速度隨時間變化曲線

履帶機器人整體速度如圖9 所示，在履帶機器人越障過程中，履帶機器人整體速度在對應過程速度也隨之變化。

圖9 履帶機器人整體速度隨時間變化曲線

對比在越障過程中履帶機器人整體速度和主動輪速度，如圖10 所示，發現在整個越障過程中二者速度吻合度較高，沒有出現較大的速度滑移，這說明在越障過程中履帶機器人具有良好的性能，抓地力、加速和剎車能力優秀，履帶機器人可以保證穩定的行駛。

圖10 履帶機器人和主動輪速度隨時間變化曲線對比

履帶機器人主動輪轉矩如圖11 所示，在2.8 s～5.2 s 的越障過程中轉矩變化最大。為保證順利越障，需要調整氣動馬達壓力值，使其滿足上述條件。同時，通過獲得主動輪轉矩隨時間變化曲線，可以與理論計算值進行比較，指導選擇合適的氣動馬達。

圖11 主動輪轉矩隨時間變化曲線

本文主要對一種履帶油罐清洗機器人的越障過程進行分析，通過對數值模擬越障過程，對主動輪速度、履帶機器人整體速度、履帶機器人和主動輪速度對比以及主動輪轉矩進行分析，體現履帶機器人的性能，同時也為后續研究奠定基礎，具有重要指導意義。

3 結論

本研究建立了履帶油罐清洗機器人在ADAMS環境中的模型，獲得了主動輪轉矩及其在越障過程的速度隨時間變化曲線。

（1）對比在越障過程中履帶機器人和主動輪速度隨時間變化曲線，結果表明：速度滑移較小，履帶機器人在越障過程中抓地力、加速和剎車表現能力較好。

（2）通過履帶機器人和主動輪速度隨時間變化曲線對比可以看出，履帶機器人在越障過程運行平穩，可以保證穩定的行駛。

（3）通過獲得主動輪轉矩隨時間變化曲線，可以與理論計算值進行比較，指導選擇合適的氣動馬達。

（4）結合數值模擬數據分析，對進一步開展研究工作具有重要指導意義。