履帶式被動自適應機器人的通過性研究

孫凌宇，李慶翔，劉肖雅，李鑫寶，李志龍

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300000）

0 引言

近幾年來，全球恐怖襲擊、地震災害、爆炸事件、房屋倒塌、核泄漏等危險災害環境頻繁發生，如何在最短的時刻內營救出被困的幸存者一直都是世界各國重視的問題，并成為不斷深入研究的課題。隨著科技的快速發展，在危險災害事件的救援任務中機器人起到深遠的影響和重要作用[1，2]。危險災害現場是非結構化地形環境，要求機器人能夠自適應于地形環境，具有良好的通過性能，對現場環境進行信息采集。目前國內外針對機器人的越障性能進行研究并應用于危險災害環境中，并取得了良好的效果，提高了救援的工作效率。例如：日本宇航中心、梅基大學等研發出一款Micro5機器人[3]，被動自適應于地形，具有較強的通過性；韓國全北國立大學提出了CALEB-2機器人[4，5]，調節履帶的形狀，從而越過障礙；日本京都大學設計出一種蛇形的KOHGA3的地面救援機器人[6，7]，之后Tadokoro教授發明了一種Quince小型救援機器人，和兒童的玩具車相差無幾，安裝有四組行走機構和六個電機；哈工大研制了一款井下探測機器人[8]，設計為三節關節履帶式；中國科學院沈陽自動化研究所設計出NEZA-I機器人[9～11]，是一種輪-履復合式機器人。

根據以上分析，總結越障機器人的優缺點，履帶式越障機器人在復雜的環境下越障能力較強。本文提出了一種履帶式被動自適應機器人，如圖1所示，行走機構采用的是一種欠驅動機構，沿著阻力最小的方向運動，能夠自適應于地形。以履帶式被動自適應機器人幾何模型為研究對象，在RecurDyn多體動力學仿真軟件中低速履帶模塊（Track-LM）對其進行仿真，建立典型障礙物的地面模型，尋找最大通過性，并確定影響通過性的相關參數；加工零件組裝樣機，通過實驗測試驗證機器人的通過性，為進一步改善機器人的通過性能提供了理論基礎。

圖1 履帶式被動自適應機器人

1 基于RecurDyn的仿真模型建立

RecurDyn（Recursive Dynamic）是由韓國FunctioBay公司基于遞歸算法開發出的新一代多體系統動力學仿真軟件[12]。在RecurDyn動力學仿真軟件中建立機器人的幾何模型，在低速履帶模塊（Track-LM）創建兩條行走機構模型的虛擬樣機。

1.1 履帶式被動自適應機器人模型的建立

由于RecurDyn軟件幾何建模能力有限，采用三維建模軟件Solidworks軟件中建立車體模塊、懸架模塊和尾輪模塊，分別保存為Parasolid形式，并所有部件以剛體形式依次導入到RecurDyn軟件中，在建立幾何模型中，進行了以下假設：1）在不影響機器人運動仿真的條件下，減少轉動副的數量，減少仿真時間，提高仿真分析的成功率；2）在建立幾何模型的過程中，適當的進行簡化，比如刪除倒角、倒邊、小孔等，對于零件存在重量誤差可在RecurDyn軟件中適當地調整質心參數和質量。

在RecurDyn/Track（LM）低速履帶模塊中建立被動自適應機構模塊模型，完成驅動輪、從動輪、連桿和履帶的參數設計。在參數設置界面填寫實際的尺寸參數，簡化機器人的被動自適應機構模塊，提高了仿真的效率并保證越障的準確性。車體模塊、懸架模塊和尾輪模塊存為Parasolid形式分別導入到RecurDyn中，對各個模塊進行位置調整和修改并施加接觸與約束，確保機器人虛擬樣機與實體機器人的參數大概一致。如圖2所示為機器人虛擬樣機模型。

圖2 機器人虛擬樣機模型

1.2 地面模型的建立

在RecurDyn軟件中地面參數Ground模塊，將硬質地面設置地面參數為：Stiffness coefficient為500；Damping coefficient為10；Friction coefficient為0.6。機器人在松軟地面的通過性，將松軟地面分為干沙、沙壤土和粘土壤三種類型[13]，如表1為土壤的特性參數，土壤的參數存在一定的差距，影響著越障性能。

表1 地面特性參數

2 履帶式被動自適應機器人的仿真通過性分析

2.1 確定仿真參數

履帶式被動自適應機器人的驅動力施加在兩側的履帶模塊的驅動輪上，驅動輪分度圓半徑為60mm，驅動函數采用的是STEP階躍函數可實現機器人的運動[14]。根據執行任務要求，將機器人的車速大小分為三個檔位，由式(1)，可求得STEP函數中所對應的角速度，如表2所示。在RecurDyn動力學仿真中，仿真時間越短和步數越長，仿真效果越真實，但是仿真時間較長。綜合考慮，根據實際情況選擇合適的仿真時間和步長。根據車速不同，STEP函數可分別表示為STEP(TIME，0，0，1，6.28)、STEP(TIME，0，0，1，9.26)、STEP(TIME，0，0，1，3.89)。驅動輪的角速度和運動速度之間的關系式為：

表2 三個檔位的速度

式中：V-機器人的實際運動速度（km/h）；

R-驅動輪分度圓半徑（mm）。

在危險災害環境中，不僅會遇到各種不同的障礙物，而且也會遇到不同的地面，最常見的松軟地面主要分為干沙、沙壤土和粘土壤三種類型，如表1為地面特性參數。機器人在爬越臺階、坡地和壕溝地形的越障過程中，建立在不同的地面模型，采用一檔的車速進行越障，提高越障的穩定性和通過性[15]。經過多次仿真實驗，確定臺階最大越障高度、坡地最大坡地角度、壕溝最大寬度的越障參數，如表3所示。

表3 仿真越障參數

2.2 臺階越障通過性分析

機器人在爬越臺階過程中，采用一檔車速，路面選擇硬質平整的路面，設置步長參數為200，仿真時間5s；臺階的高度分別設置為180mm、190mm、200mm和210mm（未越過臺階），觀察機器人越過臺階仿真過程，分析仿真結果數據。

當機器人在越障階段時判斷是否克服障礙物，俯仰角用于衡量機器人是否能夠順利越過障礙物并恢復原始狀態運動的重要衡量標準之一[15]。如圖3不同越障高度與俯仰角關系圖，當臺階越高時，俯仰角的波動越大，越障高度為200mm存在最大的俯仰角為-21°；如圖4所示，平地上勻速運動，三條曲線的波動率較小，機器人爬臺階時，越障高度越高時，質心豎直方向加速度波動越大，穩定性能越差，其臺階的通過性能越差。

圖3 臺階高度與俯仰角關系圖

圖4 臺階高度與質心豎直方向加速度關系圖

2.3 坡路越障通過性分析

1）改變坡路坡角

創建500mm坡地的水平長度、硬質地面模型，機器人的車速選取為一檔，選擇坡度角分別為：20°、25°和30°，觀察仿真過程中坡度角對質心水平速度及俯仰角的變化情況。

如圖5所示，其中由于仿真中的方向問題，其速度表示為負值。機器人質心水平速度隨著坡度角的變化而變化，坡度角越大，其速度的波動越大30°坡路的速度最大值-580mm/s；如圖6不同坡度角與俯仰角關系圖，機器人在平地運動趨于穩定狀態，俯仰角大概為5°，機器人越過障礙物時，俯仰角迅速減小并出現最小值，從圖中可以看出，坡度角30°的俯仰角最大值為17°，最小值為-1°。

圖5 不同坡度角與質心水平速度關系圖

圖6 不同坡度角與俯仰角關系圖

2）改變速度

采用坡度角20°、硬質地面的地面模型，分別用三個檔位的速度進行仿真，步長為200，仿真時間7.5s。通過爬越坡地仿真分析，觀察機器人質心豎直方向速度、驅動轉矩的變化情況。

如圖7所示，在坡地上運動時，速度越大，質心豎直方向速度波動較大，質心豎直方向速度的最大值可達到300mm/s；在平地上運動時，三個檔位的變化較小，其三檔的波動比一、二檔略偏大一點，波動范圍在-100mm/s～300mm/s。如圖8所示，在0～1s的加速階段，二檔車速出現驅動輪轉矩的最大值為3500N·m，其三檔車速的轉矩存在較大的波動；在越障階段中，速度越大，波動越小，一檔車速的驅動轉矩波動較大，存在最大值2800N·m；爬上坡地之后在平地上運動階段，三個檔位車速的驅動轉矩波動較小。

圖7 車速與質心豎直方向速度關系圖

圖8 車速與驅動轉矩關系圖

3）改變地面參數

采用坡度角20°、硬質地面的地面模型，速度選擇一檔，分別在干沙、沙土壤和粘土壤的地面模型上仿真分析，通過仿真分析觀察在越障過程中機器人質心水平方向速度、驅動轉矩的變化規律。

如圖9地面參數與質心水平方向速度的關系圖中，觀察到在干沙坡地爬坡速度最大，與在沙土壤坡地爬坡速度相近，而在粘土壤坡地上，速度最低，相比于其他地面坡地爬越坡地的時間也很長。如圖10地面參數與驅動輪轉矩的關系圖，在0～1s的加速階段，在粘土壤坡地上驅動輪轉矩波動很小，而在干沙坡地和沙土壤坡地的波動很大；在越障過程中，三種地面的驅動輪轉矩波動較大，而且驅動輪轉矩最大值大小相近，大約在27500N·m。

圖9 地面參數與質心水平方向速度的關系圖

圖10 地面參數與驅動轉矩的關系圖

2.4 壕溝越障通過性分析

壕溝在室外環境很常見，機器人在越障過程中，對于壕溝的寬度和高度有一定的影響。選擇了四個不同壕溝參數分別為：210mm×150mm、225mm×150mm、240mm×150mm和255mm×150mm（越障不成功）。觀察在壕溝越障過程中不同壕溝寬度對質心豎直位移及俯仰角的影響。

機器人采用一檔速度，分別在三個不同壕溝參數的硬質地面模型上仿真分析，得到了如圖11的仿真結果數據。在平整的地面上行駛，機器人的質心豎直方向位移和俯仰角波動較??；機器人開始越障，質心豎直方向位移開始下降，在壕溝240mm×150mm質心豎直方向位移變化很大，下降了大約40mm?？梢杂^察到在三個不同壕溝參數的硬質地面模型上仿真，機器人越障比較穩定，通過性能強。

圖11 仿真結果數據

3 樣機試驗與結果分析

通過對查閱資料、設計結構、建立三維模型、優化機械結構、越障仿真分析、加工零件、組裝樣機等工作任務，完成了履帶式被動自適應機器人；將遠程監控終端安裝于控制箱內，控制箱內的顯示屏可觀看機器人在現場環境中采集的信息，可通過手柄和按鈕控制機器人的運動，圖12為機器人的樣機和控制箱實物。

圖12 樣機和控制箱

危險災害現場環境較為復雜，本小節對機器人通過性測試，主要對坡地、臺階、壕溝和野外的測試。在測試地點搭建地面模型，如圖13(a)為機器人的野外測試，實驗設備主要有機器人、卷尺、傾角儀、鋤頭、半徑為10mm的圓棍、土壤硬度計、土壤水分測定儀等，在荒地環境中的不同地形進行多次測量求平均值，計算出土壤參數，為了與通過性仿真試驗保持一致性，驗證機器人的通過性能，在松軟地面上搭建坡地障礙物平臺，尋找最大坡路坡角。如圖13(b)、圖13(c)和圖13(d)在室內分別搭建臺階、壕溝和坡路平臺，采用書籍和木板搭建平臺，卷尺和傾角儀進行測量，逐漸遞增臺階高度、壕溝寬度和坡路坡角，進行多次實驗和測試，尋找最大通過性。

圖13 機器人樣機測試

保證機器人處于正常的工作狀態，采用車速一檔且勻速進行越障，從低到高逐漸遞增越障高度，直至機器人無法成功越過障礙物，尋找最大越障高度，如表4所示。

表4 機器人試驗結果

由表3和表4仿真越障參數結果進行對比，機器人樣機試驗最大的越障高度與仿真數據結果基本相同，驗證了機器人模型的正確性，而在試驗最大的坡度角和壕溝寬度與仿真數據存在一定的差距，綜合考慮其主要原因是木板代替硬質地面，地面參數與仿真參數數值不相同，導致動摩擦系數存在一定偏差，因此可以看出地面參數對于機器人通過性有一定的影響。

4 結語

基于軟件RecurDyn建立虛擬樣機模型，通過運動學和動力學對履帶式被動自適應機器人進行各種運動形式進行仿真測試和數據分析。建立幾個典型地形模型，如坡地、臺階和壕溝仿真越障地形，機器人在仿真越障地形上運動仿真，其中尋找到最大越障高度，主要的影響因素包括地面參數和車速大小。地面參數在很大程度上影響著越障性能，而速度的大小影響著機器人越障的穩定性，根據地面參數和障礙物的實際情況，可適當地選擇車速檔位，最大限度地提高了機器人的越障穩定性和越障性能。根據設計要求，研制樣機，對機器人進行通過性試驗，和仿真結果基本相同，其中爬越最大坡度角和最大壕溝寬度時存在較小的偏差，從而驗證了機器人結構設計的合理性。