關節履帶式核應急機器人攀爬臺階穩定性分析*

周 龍，鄒樹梁，張 德

(1.南華大學機械工程學院，湖南 衡陽 421001；2.核設施應急安全技術與裝備湖南省重點實驗室，湖南 衡陽 421001)

0 引言

在核環境非結構化地形進行應急處理，核應急機器人的應用極為重要。而非結構化地形一般指包含坡面、溝壑等起伏不平、復雜且不規則的地形(如：福島核事故由海嘯、地震等原因導致結構化環境轉變為非結構化環境)，因此，對機器人適用性、通過性要求很高?？紤]到核環境的復雜性，為高效、及時的提供參考信息[1]，核應急機器人的行走系統必須具備良好的抗輻射性能、穩定性及強越障能力。而對機器人的行走系統而言，其強越障性、穩定性以及良好的機動性是決定其行走系統的關鍵性能指標?？紤]到地形的因素，核應急機器人多采用履帶式移動機構[2]，且履帶式機器人無論是從速度、越障能力、機構復雜程度或是能量消耗、控制難度等方面都有一定的優勢[3-4]。

履帶式機器人越障穩定性一般受機器人結構設計、環境條件等多方面的影響[5-6]，其結構參數也對機器人跨越非結構化地形的能力有較大影響。為進一步提高機器人的越障性能，國內外的專家學者越障性能分析、傾翻穩定性分析等方面進行了相關的研究[7-9]。當前，已有不少專家對擺臂機器人的運動特性、穩定性、強越障性進行了相關研究。但大多數只是其結構的靜力學分析，其強越障性、穩定性、傾覆性能的分析和越障動作規劃等方面仍存在不足。故分析機器人在涉及臺階、臺階等典型地形的越障機制，確定越障性能最佳時機器人質心運動軌跡、擺臂的空間位姿，規范其動作的行為性極其重要。

本文結合核環境下非結構化地形的關鍵特征，建立一種關節履帶式核應急機器人模型，通過理論分析研究機器人在非結構化地形環境的越障能力，調整機器人相關參數提升其穩定性，并利用多體動力學軟件RecurDyn進行仿真驗證。

1 關節履帶式核應急機器人結構設計

結合核環境應急要求，履帶式機器人需滿足體型小、重量輕、穩定性強以及空間運動可達性高等要求。而履帶式機器人一般采用三種形式，即雙履帶式、四履帶式、六履帶式。其中，雙履帶式結構簡單但穩定性差；六履帶式結構穩定性強但結構復雜不易控制，且成本高；故采用四履帶式(關節履帶式)結構，既可保證其穩定性且結構緊湊。

圖1 關節履帶式核應急機器人三維模型

機器人兩擺臂置于機器人主體前端，當需要跨越障礙物或攀越臺階時由兩臺電機分別進行控制，用以改變機器人的運動姿態，輔助機器人完成越障功能。機器人主體后部裝有兩臺驅動電機分別用以控制機器人兩側驅動輪完成前行、倒車、轉彎等空間運動。機器人主體平臺后部安裝控制系統、蓄電池等，主體前部安裝通信系統，監測系統安裝在機器人主體外部，用以收集外部環境信息便于控制機器人運行。

表1 關節履帶式核應急機器人參數

2 機器人越障能力分析

2.1 質心軌跡分析

建立機器人空間坐標系xO1y(如圖2所示)，假定主履帶輪心O1、O2的間距為l0，質量為m1，質心G1坐標為(l1，h1)；兩擺臂的質量為m2，O2、O3為擺臂后輪和前輪的輪心，其質心為G2，且G2O2的長度為l2，O2O3之間的距離為l3，擺臂擺角為θ且θ[0，2π]，主履帶輪半徑為r1，擺臂前履帶輪半徑為r2(r1、r2包含履帶的厚度)，機器人寬度為b，則機器人的質心G(xG，yG)的坐標為：

圖2 關節履帶式核應急機器人質心軌跡

(1)

關節履帶式核應急機器人的質心滿足以下關系：

(2)

式中：m1為主履帶以及箱體部分質量；l1為主履帶以及箱體部分質心橫坐標值；m2為機器人擺臂部分質量；l2為擺臂質心到其輪心的距離；θ為機器人擺臂擺角；h1為主履帶以及箱體部分質心縱坐標值。

結合擺臂運動(擺角θ的變化)的影響，質心軌跡是圓心O坐標為

2.2 攀越臺階

攀越臺階是判斷機器人越障性能的重要指標[10]。其攀越臺階過程如圖3所示。

圖3 機器人攀爬臺階過程圖

當機器人質心軌跡的切線與臺階的外角線的垂線共線且質心為切點，此時機器人攀爬臺階最為適宜。當O2O3處于水平方向時，機器人越障高度為極限高度，機器人擺臂擺角θ與機器人仰角α滿足：α+θ=2π。

將l1=xG，h1=yG代入

H(l1，h1，α)=r1+(l1-h1tanα)sinα-r1/cosα，

即

H(θ，α)=r1+xGsinα+yGcosα-(yG+r1)/cosα，故機器人攀爬的極限高度為Hmax(θ，α)。

式中：α為機器人仰角；θ為機器人擺臂擺角；xG為機器人質心橫坐標值；yG為機器人質心縱坐標值；r1為主履帶輪半徑；h1為主履帶以及箱體部分質心縱坐標值。

圖4 機器人攀越臺階時質心軌跡

3 機器人越障仿真分析

為驗證關節履帶式核應急機器人樣機攀爬臺階的能力，在RecurDyn的LM模塊中建立虛擬樣機模型，進行樣機試驗。

機器人在運行過程中受到外力與內力的影響，尤其是底盤系統中各部件之間的摩擦力。綜合考慮，參閱相關文獻資料，選取各部件的摩擦系數為0.05。以常規核用場所的路況為模板，設置仿真路面環境。履帶板與路面接觸參數如表2所示。

圖5 機器人攀爬臺階過程圖

表2 履帶板與路面接觸參數

圖6 攀爬過程中速度變化圖

攀爬過程中，機器人從5.06 s開始速度呈現周期性變化趨勢。結合圖7可知，機器人受橫向運動干涉較少，而此時機器人底盤完全脫離地面，故可能是由于運動過程中伴隨著一定程度的打滑現象對機器人的運行速度產生了影響，應使用較為合適的履帶以增強摩擦力或增加張緊裝置預防打滑現象的產生。

圖7 攀爬過程質心位移變化圖

故為改善此種情況可選取花紋較深履帶增大摩擦力，應用張緊裝置既可避免機器人打滑現象的出現，也可有效的在非穩定的情況下對張力進行調節。一般來說，張緊裝置置于首尾端，則懸掛壓縮量大，履帶張力較低；而為保證各種工況下履帶能穩定運行，施加過高的預緊力，這樣會大幅增加履帶功率損耗，降低行駛系統的使用壽命。結合關節履帶式核應急機器人的結構布局，故選取增加張緊輪用以調節張緊力，且需將張緊輪置于履帶架中心位置，從而解決了履帶張力過低的現象，也避免了施加過高的預緊力(注：臺階高度為200 mm，寬度為280 mm)。

分析機器人擺臂驅動輪驅動力矩變化可知，機器人擺臂在攀爬過程中受到過較大沖擊，分別發生在機器人主履帶接觸臺階、主履帶即將離開水平路面、機器人完全運行在臺階上。在機器人地盤與臺階邊緣直接接觸時，由于擺臂運動不同步從而導致機器人受到較大沖擊，而在機器人實際運行過程中，擺臂分別由不同的驅動電機驅動控制，可進一步調整或者利用張緊裝置以減少、避免此類沖擊現象的產生。

機器人在攀爬過程中，質心在機器人調整擺臂過程中必然發生變化，又考慮到機器人質心軌跡半徑rO=m2l2/(m1+m2)的圓，結合(2)式可知，當忽略剛性條件的影響時，可通過降低機器人擺臂重量占總體重量的比值或者擺臂質心的位置，降低機器人質心的變化范圍，提高機器人的越障穩定性。

圖8 兩側擺臂驅動輪驅動力矩

4 結論

1)提出了一種關節履帶式核應急機器人的設計，并分析了該機器人在攀越臺階過程中質心軌跡變化，得出機器人攀越臺階的極限數據，并分析得出了提高穩定性的調整方法。

2)對機器人攀爬臺階的穩定性進行了理論分析，并通過仿真驗證了機器人的穩定性，為研究核環境非結構化地形條件下機器人越障穩定性提供了參考。