可重構(gòu)式車輪機構(gòu)研究與設(shè)計

陳 華，郭家偉，談 波，韓飛坡

(馬鞍山學(xué)院 機械工程系，安徽 馬鞍山 243100)

可移動機器人已經(jīng)面世多年，毫無疑問，他們在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。然而，在城市道路及建筑物內(nèi)，克服階梯障礙仍然是可移動機器人面臨的巨大挑戰(zhàn)。要完成城市救援、貨物搬運醫(yī)療服務(wù)等任務(wù)，必須具備攀爬階梯的能力。由于階梯的形狀、材料及尺寸等不盡相同，此外還必須滿足平地移動與階梯攀爬兩種模式的切換，同時還需兼顧攀爬階梯的速度及穩(wěn)定性要求，造成可移動機器人攀爬機構(gòu)的設(shè)計較復(fù)雜。陳長征等人[3]針對復(fù)雜的救援環(huán)境，設(shè)計了一種基于平行四邊形結(jié)構(gòu)的可變性的履帶式移動機器人，該機器人具有較強的越障能力，攀爬穩(wěn)定，可根據(jù)運行環(huán)境采取不同的運動方式。

目前研發(fā)較為成熟的可移動越障機器人主要有三大類[4-5]：履帶式、輪履式及輪腿式。履帶式移動機器人越障性能主要體現(xiàn)在其具有良好的穩(wěn)定性，缺點在于攀爬效率低、重量大、功率消耗較大，主要應(yīng)用于一些重載場合。陳長征等人[5]針對復(fù)雜的地理環(huán)境，設(shè)計了一種具有平行四邊形結(jié)構(gòu)的可變形履帶機器人，并通過越障實驗驗證了該機器人能根據(jù)運行環(huán)境采取不同的運動方式，具有很強的越障能力。Matsubara H團隊[6]開發(fā)了一種被動式自適應(yīng)履帶機器人，該機器人裝配有環(huán)境測量機械手，通過演示實驗驗證了其具有良好的越障性。輪式移動機器人通過車輪的滾動來實現(xiàn)越障任務(wù)，結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)簡單，Saeedi M團隊[7]提出了一種非完整輪式移動機器人的運動學(xué)模型和控制策略，采用計算機視覺構(gòu)建路徑跟隨，通過路徑跟隨器、傳感器及轉(zhuǎn)向模糊控制器實現(xiàn)平地移動與攀爬運動模式切換。馬澤潤等人[8]設(shè)計了一種六足輪腿式移動機器人，分析建立了該機器人越障高度與機構(gòu)尺寸間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過仿真實驗驗證了該機器人具有良好的越障能力。李力[9]在傳統(tǒng)的單一輪式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型的具有強越障能力的多功能六足腿式爬行機器人，提出了以增材制造技術(shù)裝備單輪輻式輪腿式機構(gòu)，結(jié)合昆蟲在自然界中穩(wěn)定爬行的特點，設(shè)計了中間寬兩頭窄的機身結(jié)構(gòu)，并通過自制的樓梯測試機器人的極限越障能力。Sun T團隊[10]針對四足機器人在準靜態(tài)爬樓軌跡規(guī)劃算法和四腿協(xié)調(diào)策略進行了研究，并對機器人腿和樓梯之間的幾何相互作用進行了分析，驗證了該四足機器人爬樓過程中的穩(wěn)定性及效率。

本文設(shè)計了一種可重構(gòu)式車輪機構(gòu)，該機構(gòu)既可以以圓形車輪模式在平地移動，也可以以輪腿式車輪模式攀爬障礙物。

1 臺階參數(shù)模型建立

本文所研究的可重構(gòu)車輪應(yīng)用于臺階攀爬，因此選取連續(xù)臺階作為應(yīng)用對象，建立了如圖1所示的臺階參數(shù)模型。臺階幾何形狀由臺階坡度i、臺階踏步高度h及臺階踏步寬度s決定。根據(jù)國家標準GBJ101-87中有關(guān)臺階參數(shù)的規(guī)定：臺階坡度∝≤38°，臺階踏步高度h的取值范圍為14mm?h?210mm，樓梯踏步寬度s的取值范圍為220mm?s?320mm，且推薦s取值為220mm、240mm、260mm、280mm、300mm、320mm，標準中規(guī)定2h+s≤600mm。

圖1 臺階參數(shù)模型

攀爬臺階需要滿足兩個條件：①車輪半徑r不小于臺階踏步高度h，即r≥h；②車輪半徑r不大于臺階踏步寬度s，即r≤s。當遇到臺階踏步高度大于車輪半徑r時，在不影響正常行駛條件下，可通過機構(gòu)重組來擴展車輪半徑以完成臺階攀爬動作。

由攀爬條件可知，車輪半徑的大小決定了所能攀爬臺階的尺寸，選取臺階極限高度值作為名義尺寸，如表1所示。當在平地或者障礙物高度小于名義尺寸1規(guī)定的h值時，車輪以圓形車輪模式前進；當障礙物高度介于名義尺寸1和名義尺寸2規(guī)定的h值時，機構(gòu)進行重組，車輪以輪腿式模式攀爬工作。

表1 臺階名義尺寸

2 可重構(gòu)車輪關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1可重構(gòu)車輪參數(shù)模型建立

圖2所示為可重構(gòu)車輪參數(shù)模型。當在平坦路面或遭遇臺階高度h≤140mm時，車輪以O(shè)為轉(zhuǎn)動中心的圓形車輪前進，其中圓形車輪半徑OA=140mm；當遭遇高度h>140mm的臺階時，車輪三個輪輻繞各自旋轉(zhuǎn)中心(圖2中C、D、E)旋轉(zhuǎn)，三個輪輻機構(gòu)進行重組，重組后將以輪腿式車輪攀爬臺階，其中輪腿式車輪的半徑OA1=190mm。

圖2 可重構(gòu)車輪參數(shù)模型

2.2 功能尺寸計算

圖3所示為可重構(gòu)車輪功能尺寸圖。

圖3 可重構(gòu)車輪功能尺寸圖

由圖3及車輪機構(gòu)重組過程分析可知：車輪擴徑比φi計算公式如(1)所示。

(1)

其中R為有效越障半徑，且R=LCA1+LOC，r=OA=140mm

在ΔOAC中，由勾股定理可列出公式(2)。

LOC2=LAC2-r2

(2)

取車輪機構(gòu)重構(gòu)中間過程進行分析，在ΔOFC中運用余弦定理可列出公式(3)。

LFC2=LOF2+LOC2-2LOE·LOC·cosθ

(3)

其中LFC=LAC，θ由0°旋轉(zhuǎn)到90°，取逆時針為正方向，則聯(lián)立式(2)和式(3)可列出公式(4)。

r2+LOC2=LOE2+LOC2-2LOE·LOC·cosθ

(4)

其中r≤LOF≤R，將極限位置值，即θ=0°、r=140mm、LOF=R=210mm代入公式(4)中，計算可得LOC=43.4mm。

輪輻旋轉(zhuǎn)角α計算公式如(5)所示。

α=180°-acrtan(r/LOC)

(5)

代入r、LOC值，由公式(5)計算可得α=107°。

2.3 可重構(gòu)車輪機構(gòu)原理分析

根據(jù)可重構(gòu)車輪功能尺寸建立如圖4所示的機構(gòu)運動簡圖。內(nèi)驅(qū)盤圓周加工有三個轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸與內(nèi)驅(qū)盤固定連接轉(zhuǎn)軸間距均為120°；外驅(qū)盤圓加工有三個圓柱形滑塊，滑塊均與外驅(qū)盤固定連接，滑塊間距均為120°；三個輪輻均與相對應(yīng)的輪轂固定連接，輪轂端部制成階梯狀；三個輪輻上均開有導(dǎo)軌槽，圓柱形滑塊可在導(dǎo)軌槽內(nèi)滑動，導(dǎo)軌槽形狀由導(dǎo)軌曲線決定。

圖4 可重構(gòu)車輪機構(gòu)運動簡圖

可重構(gòu)車輪工作原理如下：

(1)當障礙物或臺階高度h≤140mm，此時內(nèi)驅(qū)盤以角速度ω1順時針轉(zhuǎn)動，外驅(qū)盤保持不動，車輪以圖4(a)所示的圓形車輪模式前進。轉(zhuǎn)軸與內(nèi)驅(qū)盤中心距離為d；滑塊與內(nèi)驅(qū)盤中心距離為D；根據(jù)力矩平衡公式可列出公式(6)。

F×r=F1×d+F2×D

(6)

式中：F為外載荷，r為圓形車輪半徑。

(2)當障礙物或臺階高度h>140mm，車輪以圖4(b)所示的輪腿式車輪模式攀爬障礙。此時內(nèi)驅(qū)盤固定不動，外驅(qū)盤以ω2順時針轉(zhuǎn)動，滑塊在導(dǎo)軌槽內(nèi)滑動，在滑塊推動下，輪轂繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，完成車輪機構(gòu)重組。

2.4 變形輪關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

由可重構(gòu)車輪機構(gòu)運動簡圖分析可知，當內(nèi)驅(qū)盤相對固定時，外驅(qū)盤轉(zhuǎn)動，與外驅(qū)盤固接的滑塊推動輪輻繞內(nèi)驅(qū)盤轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，完成機構(gòu)重組。換言之，可重構(gòu)車輪機構(gòu)重組的關(guān)鍵在于滑塊的運動軌跡。滑塊在導(dǎo)軌槽內(nèi)的運動為復(fù)合運動，一方面以轉(zhuǎn)軸為旋轉(zhuǎn)中心進行轉(zhuǎn)動，另一方面隨外驅(qū)盤轉(zhuǎn)動，為便于加工導(dǎo)軌槽，必須精確繪制出導(dǎo)軌曲線。采用相對運動法推導(dǎo)導(dǎo)軌曲線：假設(shè)內(nèi)驅(qū)動盤固定，外驅(qū)盤以繞其中心順時針旋轉(zhuǎn)，輪輻以繞轉(zhuǎn)軸中心順時針旋轉(zhuǎn)，則滑塊質(zhì)心點在輪輻表面劃過軌跡即為導(dǎo)軌曲線。

運用ADAMS動力學(xué)仿真軟件[11-12]追蹤滑塊的運動軌跡，具體過程如下所述。

(1)在ADAMS軟件界面下建立可重構(gòu)式車輪機構(gòu)仿真模型，仿真模型如圖5所示。設(shè)置各構(gòu)件的質(zhì)量及材料屬性。

(2)添加如圖5所示的各構(gòu)件間的旋轉(zhuǎn)副、固定副，轉(zhuǎn)軸處和外驅(qū)盤質(zhì)心處添加驅(qū)動，令驅(qū)動轉(zhuǎn)速ω=90d/s。

(3)創(chuàng)建接觸，在三個輪輻上添加接觸并設(shè)置接觸屬性。

(4)選取外驅(qū)盤質(zhì)心作為坐標原點并建立坐標系。

(5)設(shè)置傳感器，當兩個輪輻接觸時，則仿真停止。

(6)將仿真時間設(shè)為1.5s，進行仿真。

(7)滑塊質(zhì)心點在輪輻表面生成的導(dǎo)軌曲線如圖5所示，導(dǎo)出滑塊質(zhì)心點運動軌跡測量數(shù)據(jù)。

圖5 導(dǎo)軌曲線測量

根據(jù)導(dǎo)出的滑塊質(zhì)心點運動軌跡數(shù)據(jù)加工導(dǎo)軌槽，滑塊質(zhì)心點運動軌跡數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 滑塊質(zhì)心運動軌跡數(shù)據(jù)

3 可重構(gòu)車輪動力學(xué)仿真分析

在SOILDWORKS三維環(huán)境下建立可重構(gòu)車輪實體模型，添加各構(gòu)件之間的約束并進行裝配，可重構(gòu)車輪實體模型如圖6所示。

圖6 車輪實體模型

將裝配完成的車輪機構(gòu)導(dǎo)入ADAMS動力學(xué)軟件，設(shè)置構(gòu)件材料及質(zhì)量屬性，并對其添加驅(qū)動，在ADAMS/View環(huán)境下，設(shè)置仿真時長，對車輪機構(gòu)進行仿真試驗，驗證可重構(gòu)車輪的攀爬效率及穩(wěn)定性，仿真驗證結(jié)果如圖7所示。

圖7 可重構(gòu)車輪角加速度變化曲線

圖7所示為可重構(gòu)車輪在攀爬臺階過程中的角加速度變化曲線，從曲線變化規(guī)律可知，可重構(gòu)車輪攀爬7級臺階所用時間為7秒，平均每級臺階攀爬所用時間為1秒，即臺階攀爬效率為1級/秒，爬樓效率較高。

在攀爬臺階過程角加速度最大值600deg/sec2，且在由低一級臺階向高一級臺階攀爬瞬間，角加速度存在較大突變，引起較大振動，攀爬穩(wěn)定性不足。

4 結(jié)論

本文提出了一種可用于攀爬臺階的可重構(gòu)式車輪，通過內(nèi)外盤的相對運動可實現(xiàn)車輪三個輪輻機構(gòu)的重組，以完成平地運動模式與臺階攀爬模式的切換。運用ADAMS動力學(xué)仿真平臺對可重構(gòu)車輪的攀爬性能進行了仿真試驗，試驗結(jié)果表明：

(1)可重構(gòu)車輪可在7秒時間內(nèi)攀爬7級臺階，臺階攀爬效率為1級/秒，攀爬效率較高；

(2)可重構(gòu)車輪在攀爬臺階過程中，角加速度存在突變，穩(wěn)定性不足，這也是今后需要深入研究及改進的方面。