對抗機器人的雙叉臂懸掛系統結構設計與有限元分析研究

王清清，劉彥春

(1.安徽信息工程學院 機械工程學院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽機電職業技術學院 機械工程學院，安徽 蕪湖 241002)

1959年，JF·Engelberger發明了世界上首臺工業機器人[1]，60年來，機器人技術有了長足的進步，作為自動化、機械制造以及AI技術的代表產物，機器人學融合了各類學科知識和多種前沿技術[2]，使得人工智能和神經網絡等在內的前沿知識得到了充分利用。可以說，隨著科技的飛速發展，機器人技術和概念已經從科幻電影畫面中變成了書本上的知識與現實中的實物。

本設計源于全國大學生機器人大賽RM，其中包含了機械設計、機械制造、電路設計、嵌入式設計、云臺控制、計算機視覺等多學科的先進內容，需要不同專業的隊員結合本專業的知識共同完成。在RM賽事中，存在不同的類別對抗機器人，分別是步兵機器人、英雄機器人、空中機器人，這三種機器人的工作方式均為射擊對抗，雙方均搭載壓力傳感器系統，通過塑料彈丸進行攻擊。對抗機器人可以在臺階、上坡、溝壑等復雜地形的場地中運行，目標是能夠在場地中穩定、快速移動，并為相關元器件和機構提供平穩的運行環境。前期調試過程中將采用2.4GHz無線遙控，后期將采用車身所搭載的激光雷達和攝像頭，從而完成機器人自主運行。

目前，有學者利用伺服電機驅動的方式設計機器人懸掛系統結構[3]，在建立機器人的幾何坐標系的基礎上確定機器人運動方程，并以MKR1000單片機作為控制器設計懸掛系統結構。也有學者基于運動學與動力學建立考慮懸架影響的機器人整機位姿模型，并分析懸架影響對機身位姿的影響，從而在PI控制的環境下設計了機器人懸掛系統結構[4]。

論文針對其中的步兵機器人機械機構，結合我校戰隊相關經驗，并參考國內外相關機器人技術，設計了基于Mecanum Wheels的對抗機器人分析過程。本文采用2.4GHz遙控控制對抗機器人運行，根據上述要求，在設計、驗證、制造該機器人時，必須滿足如下條件：①底盤懸掛系統滿足多種工況運行條件；②元器件在滿足需求的前提下具備高度可靠性；③底盤采用模塊化設計，便于裝配、維修；④整車設計分模塊進行，實地測試，優化對抗機器人總體系統結構。

1 對抗機器人總體方案設計

1.1 系統框架設計及建模

與一般的賽事機器人相比，本設計中的基于Mecanum Wheels的移動底盤對抗機器人可適應多種復雜地形，滿足不同工況下的運行要求，而Mecanum Wheels是瑞典Mecanum的專利，具有高度穩定性和拓展性[5]。由此初步確定對抗機器人的底盤系統框架圖(如圖1所示)。

圖1 對抗機器人移動底盤系統框架圖

在完成對抗機器人的系統框架后，初步建立整車的模型(如圖2所示)。

圖2 對抗機器人整車模型

為了減輕車體重量，在加工材質的選擇上，更多地選擇了輕量化的材質，如6061鋁合金、T300碳纖維板、PLA3D打印、薄壁鈑金等，實現在保證結構強度和功能的同時，最大程度地減輕車身重量的效果。

1.2 總體設計參數

對抗機器人性能指標作為衡量機器人的綜合能力的重要依據，往往需要根據實際工況進行設計，故綜合場地等多種因素，得出研究對象對抗機器人的主要性能指標如表1所示。根據對抗機器人的整體方案設計了系統框架，通過對抗機器人的三維建模，根據競賽任務需求，得出對抗機器人關鍵設計指標。

2 對抗機器人底盤懸掛系統設計

對抗機器人的本體是可全方位移動的機器人，其首要的任務是能夠在充滿障礙的場地中靈活運動，快速機動；其次則是能夠與敵方的同類機器人進行對抗，故需要在機器人快速運動的同時保持其穩定性。為了提高對抗機器人的通過能力，使機器人在多變的RM戰場環境中實現快速、穩定的機動，在保證機動性的同時確保上層結構和整體的穩定運行，并且保護車載設備和零件。本文所設計的對抗機器人底盤懸掛系統，可以把懸掛部分(如圖3所示)簡化為減震系統和減震器承載機構共同組成。

圖3 懸掛部分整體示意圖

對抗機器人的懸掛系統是連接底盤與車輪的結構，可以將輸出軸的動力傳遞給車輪，有效緩解了在不平整的道路上運動所造成的車身顛簸。對于采用Mecanum輪的機器人來說，輪子本身就是不平整的，對于精密的全自動機器人來說，包括傳感器和機器人機構都對震動較為敏感，大幅度的震動往往會導致結構的損壞或者傳感器感知誤差增加；同時，在車身載荷分布不均勻的情況下，無懸掛系統的底盤會出現單個輪子不接觸地面所導致的行駛軌跡偏離的情況，故需要一套完整的懸掛系統來解決運行過程中大幅度震動的問題。

2.1 減震器承載機構

在整個懸掛系統中，去除減震系統，剩下的部分稱為承載機構，承載機構的性能往往決定了機器人的懸掛性能。以雙叉臂懸掛為例，劃分其最大、靜止、最小行程(如圖4所示)。

(a)最大行程 (b)靜止行程 (c)最小行程圖4 雙叉臂懸掛行程示意圖

2.2 對抗機器人懸掛系統

對于20Kg級的對抗機器人而言，懸掛種類較多，包括獨立懸掛中的雙叉臂懸掛、縱臂式懸掛、橫向鉸鏈式懸掛、以及非獨立懸掛(如圖5所示)。由于場地條件有限，機器人必須采用獨立懸掛才能通過各類障礙。

(a)雙叉臂懸 (b)縱臂式懸掛 (c)橫向鉸鏈式懸掛圖5 對抗機器人懸掛系統的對比選擇

綜合整車對于通過性和離地間隙的需求(如表2所示)，本設計將采用雙叉臂懸掛。

表2 三種懸掛數據對比

2.3 懸掛具體參數計算及有限元分析

通過對比賽要求和場地的分析，得出最大重量20kg，最大尺寸600×600×500mm，場地最大坡度為20°，同時存在90°的懸崖，故設計時應按照可以直接通過90°懸崖臺階的要求進行設計懸掛行程和各類參數。假設整車重量為20kg，90°懸崖臺階的最大高度150mm，當整車從懸崖臺階沖出時，豎直方向的速度的計算過程為：

(1)

由公式(1)可知，t為0.174s，v1為1.71m/s。

由動量定理可得：

Ft=mv=196.55N

為了安全起見，設計時留出20%的余量，即落地瞬間整車受到的沖擊力為235.86N，加上整車的20kg，懸掛結構共需要承擔F總=435.86N的力，故整車采用四輪驅動，每個輪組由雙叉臂懸掛與雙負壓避震組成(如圖6所示)。

圖6 四輪獨立懸掛示意圖

假設不使用避震器，當整車落地時，單個懸掛的叉臂(表3)受到的力為F單=54.48N，將模型導入有限元分析軟件Simulation中進行分析，定義材料為6061合金，楊氏模量為6.9e+10N/m2，屈服強度為5.514e+007N/m2，劃分實體網格，并定義Jacob點為4點。

表3 單個叉臂模型及相關參數

實驗過程中發現，當受力為54.48N時，部分位置的應力遠大于鋁合金的屈服強度極限，此時若不采用避震器或者采用剛性懸掛，則產生的應力將會導致拉桿產生不可逆的形變，進而導致車輛在行進過程中出現致命錯誤，如結構錯位甚至斷裂，故需要采取措施減輕拉桿結構所受的力，如加粗拉桿結構，更換強度更高的材料，如7075鋁合金或者增加一對避震器。當采用避震器設計時，假設避震器可以均分作用力，則拉桿所受的力為27.24N。此時需定義好固定孔以及載荷位置，方向為豎直向上。

3 場地測試過程

本設計著重于底盤的高穩定性和通過能力，從而滿足應用場景需求，故在完成樣車裝配后，需要大量真實環境下的測試(如圖7—圖10所示)。

圖7 30°坡爬坡測試

圖8 45°坡爬坡測試

圖9 40mm溝壑通過能力測試

圖10 100mm臺階下降測試

實測場地中的30°坡爬坡測試(如圖7所示)，樣車在通過30°坡時前后均無干涉，可以穩定迅速通過；45°坡爬坡測試(如圖8所示)，樣車的前懸掛已經明顯壓縮，此時樣車仍可以迅速通過該區域；40mm溝壑通過能力測試(如圖9所示)，樣車在前輪進入到溝壑中后，前懸掛壓縮，依靠前后輪提供的動力順利通過該處溝壑，通過能力較強；100mm臺階下降測試(如圖10所示)，樣車在前輪接觸地面的一瞬間，前懸掛被壓縮到最低點，測試后懸掛處于正常狀態，當后輪接觸到地面時，由于重力的作用，樣車后懸掛壓縮到最低點，此時前懸掛迅速恢復到正常狀態，通過性較好。

結語

基于MecanumWheels的對抗機器人可以較好地滿足比賽需求，結合測試過程完成以下工作。

(1)根據實際場景的需求，完成基于MecanumWheels的對抗機器人的整體需求及對抗機器人的系統整體框圖和總體設計方案；

(2)根據場景環境，通過對抗機器人獨立懸掛系統理論分析，設計出合理的雙叉臂獨立懸掛系統并對關鍵部件單個叉臂進行有限元分析，并根據場地尺寸完成實地測試，為上層其他系統機構提供一個穩定的基礎。

本文主要對樣車進行不同環境和運行條件下的測試，結果基本滿足實際需求。同時也發現了一定的不足之處，將在后續進行迭代和改進。