變輪轂救援機器人設計與運動仿真

林偉燚，何用輝

（福建信息職業技術學院智能制造學院，福建 福州 350003）

0 引言

隨著全球地震災害或局部戰爭頻發，為能夠更好地對受災人員進行救治，減少人員傷亡，通常需要借助機器人代替人深入災后現場進行救援任務。救援機器人的出現避免了救援人員傷亡，提高了搜救效率，成為救援任務中不可或缺的部分[1-2]。

由于救援機器人需要在災后環境中進行運動，對機器人越障能力提出更高的要求。目前救援機器人運動機構主要以輪式、腿式、履帶式以及復合式為主[3]。其中輪式機器人因具有高速與地形適應能力強等特點[4]，廣泛應用于救援現場。中國科學院沈陽自動化研究所和東北大學聯合研制的新型可伸縮搖臂六輪移動機器人，機器人采用搖臂結構完成越障任務[5]。西南大學張龍研制的擺桿輪式越障機器人，結合“U”型擺桿和動態尾翼完成轉彎與越障動作[6]。甘肅建筑職業技術學院[7]采用輪腿復合式結構，設計一款輪腿式六足智能消防機器人，利用輪腿之間的切換實現在非結構環境下快速運動。韓國學者設計一種被動輪腿變形結構機器人[8]，基于變形輪結構實現輪、腿之間的轉換。瑞士蘇黎世聯邦理工學院研發的輪腿復合機器人[9]，采用輪腿復合結構可以更好的適應非結構地形環境。

救援機器人結構的改進，提高了非結構環境下機器人越障性能，為救援任務的順利完成提供了可能。本文主要針對輪式機器人地形適應能力、越障能力不強的問題，通過結合輪式高速移動、效率高與連桿機構承載能力大，耐沖擊等特點，提出設計了一種面向復雜環境下的變輪轂救援機器人。其結構簡單、控制方便、地形適應能力強的優勢，可以適用于非結構地形環境。

1 變輪轂救援機器人結構設計

1.1 性能指標

面向復雜環境的特殊需求，設計了一種變輪轂救援機器人，機器人整機相關性能指標見表1。

表1 設計參數

1.2 電機選型

為保證機器人具有較好的驅動能力，機器人每個輪子配有一個驅動電機，通過對機器人功率進行計算來選擇合適的電機型號。變輪轂救援機器人以最大速度行駛時，其所需功率即為最大功率，計算公式為：

式中：P為移動本體以最快速度行駛時所需的最大功率，kW；f為道路阻力系數；m為負重的救援機器人整體重量，N；νmax為最大速度，km/h；C為風阻系數；A為橫截面積，m2；η為系統總效率（包括電機效率、減速器效率、行進結構效率）。

以柏油路面為例，忽略風阻影響，則救援機器人最大功率可表示為：

安全系數K取0.8，最大效率為0.91，減速器傳動效率為0.77，行進機構效率為0.85，額定功率可以表示為：

因此，基于額定功率、價格等因素，電機選用某公司的編號為XD-37GB520 的直流減速電機。

1.3 變輪轂結構設計

1.3.1 變輪轂結構幾何關系

在變輪轂的設計中采用連桿機構實現輪轂直徑的變化，輪轂模式變化示意圖如圖1 所示，幾何關系如圖2 所示。

圖1 輪轂模式變化示意圖

圖2 幾何關系圖

圖中S′為鉸鏈中心點到中軸線之間的距離，S為首鉸鏈中心點與末鉸鏈中心點之間的距離；b為剪叉機構長桿的長度；a為剪叉機構短桿的長度；e為剪叉機構垂直移動量；φ為剪叉機構長桿與水平之間的夾角。

圖2 中相關量的幾何關系可表示為：

1.3.2 推力計算

假設在水平推力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求導可得：

根據虛位移原理：作用于質點系的主動力在任何位移中所做虛功的和等于零，可得

單腿著地：聯合式（5）-（7），可以得到

同理雙腿著地時

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系，為后續變輪轂救援機器人控制提供理論指導。

文中變輪轂結構采用連桿機構，其單一伸縮運動單元由六個連桿組成，三個長連桿，長度為100 mm，三個短連桿，長度為50 mm，第一段由三個長連桿組成，承受主要的支撐力，第二段由三個短連桿組成，承受輪翼所施加載荷。為保證輪轂變形后不會喪失變形持續性，采用電機驅動T8 絲杠進行傳動。機器人最大負重10 kg，整機空載預估重量5 kg，故整機變輪轂機構總承受載荷約147 N，每一部分約為36.75 N。變輪轂結構三維如圖3 所示。

圖3 變輪轂總裝配模型圖

1.4 整機設計

通過對機器人關鍵部件的設計與分析，確定了機器人驅動方式與變輪轂結構，接下來對機器人整體進行設計。救援機器人除搜尋目標之外，還應給救助目標提供應急物資，因此在載重不變的情況下應盡可能地增大體積。救援機器人內部空間分成三部分區域：前后區域用來放置前后電機與控制部分，中間區域為物資容納區。使用SolidWorks 建立變輪轂救援機器人三維模型，如圖4 所示。

圖4 變輪轂救援機器人總體結構圖

2 關鍵部件靜力學仿真與優化

首先，為保證機器人整機強度，需要對其關鍵部件進行有限元分析。使用ANSYS Workbench 對輪轂結構進行有限元分析，首先對導入后的零部件進行材料屬性定義。變輪轂救援機器人各部件所選用材料及材料屬性見表2。

表2 結構部件材料類型及屬性

其次，在滿足數據準確性的情況下，選擇5 mm 的網格對輪轂模型進行網格劃分，劃分結果如圖5 所示。

圖5 變輪轂模型曲面網劃分

在進行邊界條件和載荷約束時，考慮到被設計對稱式結構配置，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，力的大小為機體總重量外加載荷物資重量15 kg，但為保證設計安全可靠，選擇200 N 力進行分析，故每個輪子所承受載荷為50 N，如圖6 所示。

圖6 邊界及載荷類型載荷大小的設置

如圖7 可知，救援機器人輪翼機構受力變形相對較大，為解決輪翼邊緣變形問題，將輪翼內側與連桿連接的固定塊延長至輪翼邊緣，并再次進行受力分析。對比優化前后形變情況，發現結構救援機器人的結構受力情況明顯改善，如圖8 所示。

圖7 變輪轂總形變圖

圖8 變輪轂優化后

根據優化后的實驗結果，確定變輪轂救援機器人最終模型圖，如圖9 所示。

3 變輪轂救援機器人動力學仿真與分析

3.1 仿真設置

為使運動分析具有定向性，應對變輪轂救援機器人模型進行必要的約束。首先，應使變輪轂固定架與軟件所設大地坐標進行鎖定；其次，通過Admas 中Connectors 命令進行機器人運動副的創建；最后，利用Motions 命令中Step 函數實現一定時間內電機驅動的加/減速以及電機轉向的改變。相關約束、驅動的添加如圖10 所示。

圖10 模型約束與驅動設置圖

3.2 越障過程仿真

為驗證變輪轂救援機器人越障能力，在Admas中進行越障過程的仿真與分析。利用時間函數實現對機器人電機的驅動，完成兩種臺階高度（125 mm、320 mm）下機器人越障仿真實驗，虛擬樣機越障過程仿真示意圖如圖11 所示。用平穩性反映變輪轂機器人的越障能力，如圖12 所示?？梢钥闯鼍仍畽C器人可以很好的通過不同障礙，完成相應的救援任務，其質心在垂直方向的波動較小，可以很好的適應臺階的變化，運動平穩。仿真結果表明，本設計參數設置合理，當遇到障礙時輪轂展開可有效解決機器人通過性問題，為機器人能夠完成救援任務提供了可能。

圖11 虛擬樣機越障過程仿真圖

圖12 變輪轂救援機器人質心波動曲線

4 結論

提出一種新型的變輪轂救援機器人，并得到了以下結論。

（1）該新型變輪轂救援機器人將輪式連桿機構相結合，提升了輪式機器人的穩定性、機動性與越障能力。在此基礎上，對該新型機器人進行了整體設計。

（2）分析了該新型機器人靜力學與動力學，在保證機器人強度同時得到了多種運動模式的切換，以適應非結構地形環境。