履带式核应急机器人攀爬台阶性能分析_程根茂.pdf

履带式核应急机器人攀爬台阶性能分析程根茂1，2，唐德文1，2，张德2，3（1.南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001；2.核设施应急安全技术与装备湖南省重点实验室，湖南衡阳421001；3.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳421001）摘要：针对核事故环境中核应急机器人的越障能力特点，设计了倒梯型履带式核应急机器人。与普通型履带结构相比，该机器人具有强越障性同时结构更加简单紧凑。张紧装置在机器人越障过程中可时刻让履带处于张紧状态，并且可以有效减小机器人所受到的冲击力。在此基础上，以攀越台阶为例对机器人进行数学模型计算分析，分析了机器人越障的临界条件与最大理论值。并用 RecurDyn 动力学软件建立仿真模型，对比分析机器人越障能力的理论值和仿真试验值，分析张紧装置对机器人爬越台阶稳定性的影响。结果验证了最大理论高度的准确性，为研究核事故环境下机器人越障性能提供了参考。关键词：履带机器人强越障稳定性中图分类号：TH16；U462.1；N94文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0001-04引言在核事故环境下进行应急作业，核应急机器人的应用极为重要。而考虑到核事故环境的特点，要求机器人具备攀爬包含楼梯、障碍物等地形的强越障能力，这也是机器人能否顺利到达作业点最重要的要求之一。结合核事故环境下机器人作业的特点1，核应急机器人行走系统需要有着较好的越障能力和稳定性。并且强越障性与稳定性也是机器人行走系统的关键性能指标。结合核事故环境下作业地形特征，核应急机器人常用履带式行走系统2，履带式机器人相比于其他行走机构在越障能力、速度、结构复杂程度等方面都有一定优势3。机器人的结构设计、环境特点等因素都会影响履带式机器人越障稳定性4-5，其中在结构设计中，结构参数的选取对机器人的越障能力有着较大影响，所以选择合适的履带式行走系统非常重要。国内外对各种机器人越障性能分析、越障倾翻稳定性分析等方面进行了相关的研究6-10。其中在国内外较著名的是美国iRobot 公司研制的 Warrior 履带式核应急机器人11、日本千叶工业大学研制的 Quince 系列机器人12、中国辐射防护研究院研发的遥控式探测机器人13-14等。但是由于技术不太成熟，履带式机器人仍有些技术难点迫待解决，如结构复杂、不易转弯、机动性差等。因此，本文建立一种类似倒梯型履带式核应急机器人，研究分析机器人在攀爬台阶的越障性能。首先，理论分析机器人攀爬单极台阶时的最大理论越障高度，并通过给模型增加张紧装置来仿真分析张紧装置对机器人越障稳定性的影响，然后用 RecurDyn 动力学软件进行仿真验证。仿真结果验证了机器人的最大越障高度、张紧装置可以有效降低外界对履带板的冲击力，提高了机器人的整体稳定性。1机器人移动平台动力学建模结合核事故环境下机器人应急作业的环境特点，履带式机器人需要满足越障能力强、稳定性高、体型小、重量轻以及结构复杂程度等要求。故采用类似倒梯型的双履带结构，保留倒梯型机器人前进方向所带有履带的接近角，驱动轮位于机器人后端，相比于传统倒梯型双履带结构，既保证了倒梯型双履带机器人的越障性能，还简化了机器人整体结构的复杂性，能使结构更加紧凑和稳定性更高。履带式移动平台结构，如图 1 所示。平台结构包括驱动轮、支重轮、托带轮、履带架、履带板、张紧装置、导向轮。机器人主体前端保留倒梯型的结构特点，在机器人攀越台阶时由带有角度端首先接触障碍物，提高了机器人的越障性能；机器人的动力系统采用后置的方式，可以有效避免机器人在越障时惯性冲击对电机的影响。缺点就是部分降低了履带行走系统的传动效率。倒梯型履带式核应急机器人参数，如下页表1 所示。为了保证不同环境下履带系统的稳定运行，防止收稿日期：2022-08-19基金项目：国防基础项目（JCKY2019403D003）；湖南省教育厅科学研究项目（19B502）；衡阳市科技创新重大项目（202150013986）；湖南省教育厅项目（212JSJ002、2018JG026）第一作者简介：程根茂（1997），男，安徽阜阳人，南华大学机械工程学院在读硕士，研究方向为机器人技术。通讯作者：唐德文（1976），男，湖南邵阳人，博士，教授，博士生导师，研究方向为高速加工与超硬材料加工技术、先进制造技术与核电装备技术。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.001试验研究机械管理开发第 38 卷出现打滑现象，提高履带行走系统的整体稳定性，可应用张紧装置，其能有效地在机器人越障过程中调节履带板的受力，防止出现履带脱落的情况。一般平均轨道张紧力是张紧器弹力的 50%，所以可以通过调节张紧弹簧的预紧力来调整履带板所受轴向力。选取各部件的摩擦系数为 0.7。履带板与路面接触参数如表 2 所示。在前轮与箱体之间设立了张紧装置（如图 2 所示），其中图 2-1 为装有履带张紧装置，图 2-2 禁用了张紧装置，并与履带支撑架锁死防止移动。履带张紧装置不仅可以使机器人的履带时刻紧密地缠绕在带轮上，避免了履带松弛或脱落，还可以在越障过程中部分减少对机器人的冲击，提高了机器人的越障性能与整体稳定性。张紧弹簧的参数如表 3 所示。2机器人攀爬台阶理论分析以攀爬台阶为例，对机器人进行越障性能分析。机器人行走系统在攀越台阶过程中，当机器人的综合质心所在位置的竖直线和台阶外角线在同一竖直线上时，机器人达到临界状态，此时质心位置必须在竖线右侧才能完成攀爬过程。如图 3 所示为机器人数学模型，建立空间坐标系 xO1y，设主履带轮心 O1、O2的间距为 L1，质心 G 坐标为（xG，yG）；O2、O3为机器人的前轮和张紧轮的轮心，主履带轮半径为 R1，机器人后端和地面间的夹角为 1，台阶的高度为 H，求得函数如下：H（xG，yG，1）=R1+xGsin1+yGcos1-yG+R1cos1.（1）为了提高理论分析的准确性，需让机器人后端与台阶接触，故 1应在（0，/2）上取值，当机器人质心为参变量时，H（xG，yG，1）分别对 xG、yG求偏导可得：H/xG=sin10.（2）H/yG=-sin21cos10.（3）由于 1（0，/2），所以由式（2）、式（3）可得，H（xG，yG，1）为关于 xG的增函数，关于 yG的减函数。通过式（2）、式（3）得知，当 xG的值越大、yG的值越小，即机器人的质心靠前、偏下时，机器人攀越台阶的最大高度 Hmax越大。对 H（xG，yG，1）求 1的一次、二次偏导得：H/1=xGcos1-yGsin1-（yG+R1）sin1cos21.（4）2H/12=-xGsin1-yGcos1-（yG+R1）sin21+cos1cos31.（5）因为二阶偏导2H/120，（1（0，/2），确定 H（xG，yG，1）有最大值，当且仅当一阶偏导H/1=0 时，可求出 Hmax。将表 1 中的机器人各参数带入式（1）、式（4）、式（5）中，求出机器人质心坐标为（560，40），当 1=43.5时，机器人的最大越障高度 Hmax=258.6 mm，即该机器人攀越台阶最大理论高度为 258.6 mm。3RecurDyn 仿真分析为了验证分析机器人的越障性能，在 RecurDyn的 TL 模块（低速履带）中建立虚拟样机模型，并分别建立高度不同的台阶，根据理论数据对机器人进行了仿真验证，通过研究机器人在不同高度下台阶的仿真数据，分析机器人爬楼梯时的越障性能。1驱动轮；2支重轮；3托带轮；4履带架；5履带板；6张紧装置；7导向轮图 1履带式核应急机器人履带系统参数数据参数数据底盘长度/mm1 000底盘高度/mm400底盘宽度/mm700最大速度/（m s-1）1.4轮半径/mm110/70自重/kg95履带宽度/mm150接地长度/cm74表 1倒梯型履带式核应急机器人参数刚度/（N mm-1）阻尼/（N s mm-1）自然状态长度/mm预紧力/N0.1100703 000表 3履带张紧弹簧参数2-1装有履带张紧装置2-2禁用了张紧装置图 2机器人履带系统张紧装置设置类型刚度/（N mm-1）阻尼/（N s mm-1）摩擦系数1 5000.10.7表 2履带板与路面接触参数图 3攀越台阶临界状态示意图1234567右履带左履带O1O2O3O412HGyx22023 年第 2 期机器人攀爬台阶的详细过程如图 4 所示，在攀越台阶过程中，机器人呈一定角度的履带前端率先与台阶接触，可以很大程度较少履带与台阶发生打滑现象。3.1机器人攀爬楼梯极限高度仿真验证在 RecurDyn 中分别建立不同高度台阶的路面模型（统一爬越 4 层台阶楼梯），底盘采用低速挡进行纵向爬楼梯，为了仿真分析的准确性，速度函数统一设定（STEP（TIME，0.1，0，0.5，360D），经过多次仿真试验，通过仿真分析观察履带底盘在爬坡过程中驱动轮力矩、质心 Y 方向位移变化规律。如图 5 所示，机器人在 0.5 s 履带接触楼梯到 1 s机器人开始攀爬第一层台阶，由于机器人在攀爬较高台阶初始阶段会有一段时间履带前端未与第二层台阶接触，此阶段若机器人质心位于第一层台阶竖直外角线右侧时，机器人靠自身重量使机器人整体与楼梯接触完成攀爬过程，相反机器人则会发生侧翻。由图 5 得到，机器人攀爬台阶的极限高度Hmax=262 mm。在仿真中越障高度比之前计算的理论值 258.6 mm略大，这是因为机器人的履带和路面都不是刚体，具有一定的弹性，所以在越障过程中履带会产生形变会使得机器人的实际重心位置比理论值偏低，结合上述对机器人的理论分析，该情况会有助于机器人攀越台阶。由图 6-1、图 6-2、图 6-3 可知，机器人在攀爬台阶时受到较大的冲击分别发生在机器人开始攀爬台阶（0.51.5 s）和攀爬结束时（44.5 s）。在 1.54.5 s过程中，随着台阶高度的增加，机器人在攀爬过程中稳定性降低；由图 6-4 可知，在台阶高度为 263 mm时，机器人发生了侧翻，机器人的最大转矩发生在侧图 4机器人攀爬台阶过程图 5攀爬过程质心 Y 方向位移变化6-1台阶高度为 250 mm6-2台阶高度为 260 mm6-3台阶高度为 262 mm6-4台阶高度为 263 mm图 6攀爬不同高度台阶行走系统驱动力矩1 5001 00050000123456时间/s质心 Y 向位移/mm台阶高度 H=250 mm台阶高度 H=260 mm台阶高度 H=262 mm台阶高度 H=263 mm3105210511050-1105-2105力矩/（N mm）0123456时间/s3105210511050-1105-2105力矩/（N mm）0123456时间/s3105210511050-1105-2105力矩/（N mm）0123456时间/s810571056105510541053105210511050-1105-2105力矩/（N mm）0123456时间/sabcdefgh程根茂，等：履带式核应急机器人攀爬台阶性能分析3机械管理开发第 38 卷翻后。3.2张紧装置对机器人行走系统越障稳定性的影响为了进一步验证履带张紧装置对机器人越障性能的影响，以机器人爬越 4 层 250 mm 台阶为例，分别对装有张紧装置、未装张紧装置的机器人攀爬台阶的稳定性进行分析。通过对比分析图 7-1 与图 7-2 可知，装有张紧装置的机器人在攀爬过程中履带板的受力更加稳定，在4.24.7 s 过程中，履带板受轴向力矩减小，这是因为履带板与驱动轮接触会有短暂的减小。并且可以看出在 2 s 之后，履带板轴向平均力矩为 1 500 N mm，为张紧器弹力的 50%，仿真结果与理论一致。对比分析图 8-1 和图 8-2 可知，机器人受较大冲击发生在开始攀爬台阶与结束攀爬台阶两个阶段，在1.54.5 s 过程中，装有张紧装置的机器人攀爬台阶过