基于RecurDyn的4旋翼擺臂式清洗機器人設計

蘆紅利， 閆 娟

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201600)

爬壁機器人作為極限作業機器人中的一個重要結構分支，在橋梁檢測、高樓建筑的外墻清洗等領域具有廣闊的應用前景[1]。工作中，爬壁機器人在安全吸附的情況下，實現快速、平穩地移動，而且要對凸起、凹坑和交叉面等復雜的壁面情況做出即時、有效的應對，也是當今爬壁機器人研究領域的熱點之一[2-3]。

國內外關于爬壁機器人如何進行高效越障和吸附做了長期的研究[4-5]，楊春等[6]針對如何越過壁面障礙物，設計了串聯式輪足復合式爬壁機器人，通過機器人的2足交替抬起實現對障礙物的跨越，但該機器人越障效率低，越障控制復雜；董寒等[7]研制的十字框架爬壁機器人，通過固定在框架上的真空吸盤交替吸附壁面進行移動，其運動緩慢且無法跨過較高的障礙；馮偉博等[8]研究了仿尺蠖爬壁機器人，該機器人具備越障能力，但因為雙足跨越式的越障方式，越障和移動速度較慢。采用吸盤方式的BPIPED式關節機器人，可以完成空間內的移動和越障，但吸盤負載能力有限，無法提供穩定的作業平臺；潘雷等[9]提出依靠真空泵產生負壓完成吸附的功能，但是當吸附壁面環境復雜，壁面凹凸不平時，吸附的穩定性大大下降；陳月強[10]設計的磁吸附履帶式攀爬機器人，可以實現吸附和移動功能，但是由于磁吸附使用環境限制，在越障方面的能力較差。

針對目前爬壁機器人在越障方面控制復雜、運動不連續的問題[11]，基于地面擺臂式機器人攀爬障礙物原理，課題組設計了一種基于旋翼的擺臂式爬壁機器人，對機器人越障過程進行運動學分析，研究了旋翼電機輸出轉矩和壁面角度變化的關系，仿真實驗對所設計的機器人越障性能進行驗證和分析，為爬壁機器人實際開發應用和控制系統的設計提供了參考依據。

1 機械系統設計

機械系統的三維模型如圖1所示，由推力機構、擺臂機構、行走機構、車體等組成。為了實現機器人越障及多變化姿態， 2個擺臂均可進行360°旋轉。機器人主要由 7個電機驅動，其中4個驅動旋翼葉片，2個驅動機器人的左右主履帶，1個驅動左前擺臂機構和右前擺臂機構的共同運動。機器人上層布置的旋翼提供機器人向上行進和越障過程中所需要的吸附力，同時，2個擺臂機構通過套筒軸連接，使得2個擺臂機構的旋轉運動和2個主履帶系統旋轉運動互不干涉，從而實現機器人在行進過程中對自身的姿態進行調整。

圖1 爬壁機器人造型Figure 1 Wall-climbing robot modelling

爬壁機器人前端與牽引繩索連接，通過外接電纜來提供機器人所需的電力，使得機器人運行更加平穩具有更大的承載能力，機器人可根據實際需求，擴展相應的模塊，如激光測距儀、攝像頭、紅外線熱成像儀、清洗模塊和機械手等，以滿足不同環境下，勘察、清洗墻壁、救援和反恐等不同工作的需求，機器人基本參數如表1所示。

表1 爬壁機器人結構參數Table 1 Structural parameters of wall-climbing robot

2 爬壁越障性能分析

2.1 機器人的質心分布

如圖2所示，以機器人的履帶后輪軸心為原點，建立坐標系xO1y，前后履帶輪軸心O1和O2的距離為l0，主車體質心G1坐標為(l1,h1)，機器人主車體的質量為m1，越過障礙物時，需要2擺臂同步旋轉，設2個擺臂的質量為m2，擺臂質心為G2，并處于2擺臂的中心線O2O3上，履帶前帶輪軸心距擺臂質心G2的長度為l2，假設擺臂的2個履帶輪軸心的距離為l3，2擺臂與壁面的夾角均為θ，且θ∈[0,2π]，假設機器人的寬度為b，主履帶的帶輪的半徑為R，擺臂履帶輪的半徑為r，都包含履帶的寬度，則機器人質心G(xG,yG)的坐標為：

圖2 機器人質心運動軌跡Figure 2 Trajectory of center of mass of robot

(1)

機器人的質心滿足以下的關系式：

(2)

2.2 機器人越障能力分析

爬壁機器人攀爬障礙物的過程如圖3所示。當前方有障礙物出現，擺臂機構的電機驅動機器人雙擺臂逆時針旋轉，使得擺臂前端高于障礙物；然后在履帶的驅動下，行走機構的主履帶搭靠在障礙物的外角線上，在行走機構電機推動下，機器人繼續向前移動，擺臂機構的電機驅動擺臂順時針轉動；當機器人的重心越過障礙物的外角線，機器人以此點為支點，順時針旋轉，成功攀爬上障礙物。

圖3 機器人攀爬障礙物過程Figure 3 Process of robot climbing obstacles

圖4為機器人質心恰好跨越障礙物時外角線的狀態。當機器人質心為機器人質心軌跡與障礙物外角線的垂線相切的切點時，最有利于機器人攀越障礙物。當機器人的雙擺臂處于水平狀態時，機器人攀爬的障礙物高度為最大值。此時，機器人的仰角α和雙擺臂的擺臂角度θ關系為α+θ=2π。

圖4 攀爬障礙物時機器人質心 跨越障礙物外角線Figure 4 Center of mass of robot crosses outer corner of obstacle when climbing obstacles forward

(3)

式中：R為主履帶的帶輪半徑；α為機器人的仰角；θ為雙擺臂的擺臂角度；H為障礙物高度；l為機器人質心的橫坐標；h為機器人質心的縱坐標。

將l=xG,h=yG代入式(3)，得到此機器人最大攀爬的障礙物高度Hmax(θ,α)。

(4)

3 爬壁機器人動力學分析

爬壁機器人動力學性能必須滿足2個條件：①爬壁機器人能夠在壁面完成行進和越障的功能；②爬壁機器人在行進過程中保證不會發生滑移、機器人本體反轉傾覆等失效形式。

為了實現機器人在壁面平穩運行，如圖5所示，旋翼電機的輸出轉矩MD必須克服牽引力產生的轉矩ML，以及推力機構產生的吸附力F1和支持力形成的轉矩MX和重力轉矩MG的作用，即滿足下式：

圖5 機器人爬行模型Figure 5 Robot crawling model

(5)

式中MD為旋翼電機輸出轉矩。

壁面存在傾角，繩子拉緊時，機器人本體會產生一定的角度，因此使得推力機構產生的吸附力不等于所需要的吸附力。

ML=FQl1cosβ;

(6)

MG=GH1cosσ。

(7)

式中：G為機器人受到的重力,l1為繩索和壁面之前的距離，β為牽引力和壁面之間的夾角，H1為重心和壁面之間的豎直距離，σ為壁面和豎直平面的夾角，FQ為卷揚機提供的牽引力。

(8)

MX=N1h1。

(9)

式中：FG為反作用力，h1為吸附力和支持力之間的距離。

根據式(5)～(9)，可得機器人在攀爬過程中所需旋翼電機輸出力矩：

FQl1cosβ。

(10)

4 越障運動的仿真和越障高度理論值計算

4.1 越障能力計算

機器人攀爬障礙物時機器人的主要參數為：R=60 mm，r=30 mm，l0=310 mm，l2=100 mm，l3=170 mm，m1=12 kg，m2=3 kg。以上參數代入式(2)和(4)中，當仰角和擺臂擺角分別在(0°，60°)和(0°，360°)范圍取值時，可得H的最大值Hmax=178.6 mm。

4.2 機器人仿真測試

為了驗證機器人越障高度，針對高度不同的矩形障礙物進行仿真，探究機器人攀爬障礙物高度最大值。

通過RecurDyn進行仿真驗證，機器人越障仿真如圖6所示，針對175 mm、180 mm與185 mm的不同高度障礙物進行分析表明：在通過175 mm障礙物后，機器人能夠相對快速恢復到穩定的狀態；越過180 mm障礙物后，機器人的重心的位移波動持續較大，但最終還是能夠恢復到穩定的狀態；當障礙物的高度調整為185 mm時，機器人無法進行越障。經過多次仿真實驗確定機器人的最大越障高度為180 mm。圖7為機器人攀越不同高度障礙物的重心高度與時間的關系，實驗表明：機器人旋翼推力機構的吸附性能良好，機器人能夠平穩地在壁面完成爬行和越障的功能。

圖6 虛擬樣機攀爬障礙物過程Figure 6 Process of virtual prototype climbing obstacles

圖7 機器人攀越障礙物重心高度與時間關系Figure 7 Relationship between height of center of gravity of robot and time when robot climbing obstacles

5 結論

課題組為解決現有爬壁機器人在越障方面動作不連續和越障效率低的問題，研究了柔性擺臂越障機構，并在機器人的運動過程中，從運動學角度，研究了雙履帶擺臂機器人的越障原理。利用擺臂的擺動，使得機器人的質心越過障礙物的關鍵邊界線。

課題組從運動學角度分析機器人攀爬障礙物時的運動機理，并建立了機器人壁面攀爬的運動學模型，計算出機器人在不發生失效形式下旋翼電機理論輸出轉矩，并通過仿真實驗，驗證了機器人的旋翼的吸附性能，以及攀爬障礙物的能力。在此基礎上，課題組設計了一種基于旋翼的擺臂式爬壁機器人，為爬壁機器人的實際開發應用和控制系統的設計提供基礎。