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轮履复合巡检机器人行走机构的设计及动态仿真分析

2024-10-21 39 上传者：管理员

摘要：针对传统巡检机器人行走机构对非结构化地形适应性差的问题，设计了轮履复合巡检机器人行走机构，并进行动态仿真分析。所设计的轮履复合巡检机器人行走机构前轮采用三角形履带，对地面损伤少，非结构化地形适应性好；后轮采用普通圆形车轮，降低机器人移动能耗。采用理论方法对所设计的轮履复合巡检机器人行走机构的爬坡性能以及越障性能进行分析，获得了理论上的最大爬坡度、越过垂直障碍物最大高度以及通过沟槽障碍物最大宽度。最后借助RecurDyn软件建立了轮履复合巡检机器人多体动力学模型，对不同路面、不同爬坡角度、不同垂直障碍物高度以及不同沟槽宽度进行仿真。结果表明，在爬坡、越障时履带轮张紧力增加，张紧力波动大，驱动轮扭矩增加，驱动轮扭矩波动大。

关键词：
巡检机器人
爬坡性能
结构设计
越障性能
轮履复合
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机器人作为能够有效执行特定任务的机械装置，在各行各业具有广泛的应用[1]。巡检机器人属于特种机器人，其可以替代人工进行危险、繁重、重复性高的巡检任务，有效降低了巡检成本和安全事故发生的概率[2]。轮履复合移动机器人兼顾了轮式机器人和履带式机器人的优势，能够更好地在复杂的环境下开展巡检任务，对轮履机器人的研究成为了当前学术界关注的焦点[3-4]。贾海东等[5]结合煤矿巡检工作的需求，设计了一种轮履复合巡检机器人行走机构，可以实现轮式和履带式2种运动模式，并通过仿真对机器人的稳定性与越障能力进行了分析，为实物结构设计提供了参考；王腾等[6]设计了实现轮、履功能切换的连杆机构，该机构具有自锁功能，同时采用优化算法对连杆机构的参数进行优化，改善了轮履切换机构的性能；贺业林等[7]分析了轮式挖掘机和履带式挖掘机的缺陷，设计了一款轮履复合式多功能挖掘机，并通过试验验证了所设计的挖掘机能够有效提高移动与作业效率，对挖掘机改进提供了参考。目前的轮履复合机械装备主要是通过结构设计实现轮式和履带式的切换，同时三角形履带轮应用比较少。三角形履带轮作为一种特殊形状的履带轮，具有更好的地形适应性，对地面的损伤比较少[8]。基于此，设计一款包含三角形履带轮的巡检机器人，并借助RecurDyn软件进行动态仿真，期待对实物结构设计提供参考。

1、轮履复合巡检机器人设计

轮履复合巡检机器人平台由履带和车轮组成，其中履带行走机构包括驱动轮、负重轮、导向轮等部件，轮式行走机构包括轮胎、轮辋等部件。轮履复合巡检机器人的前轮设计为三角形履带轮，其形状如图1所示。

图1三角形履带轮结构

当巡检机器人移动时，动力装置向驱动轮传递扭矩，主动轮和履带啮合从而带动履带克服来自于地面的阻力而向前移动[9]。负重轮对履带有一定的引导作用，能够增大履带与轨道的接触面积，降低接地比压力。张紧轮通过自身摆动来调节履带张力，减少履带松弛或收紧所造成的磨损，提高巡检机器人通过复杂非结构化地形的能力[10]。

图2轮履复合巡检机器人结构简图

轮履复合巡检机器人的后轮设计为由胶合复合材料和幕线等组成的轮式行走机构。在行驶过程中，圆形轮胎需要承受车辆的后部载荷，并且轮胎与地面之间的附着力对于减缓和吸收车辆的振动和冲击有一定的效果，从而防止巡检机器人的剧烈振动[11]。图2为设计的轮履复合巡检机器人结构简图。

2、机器人通过性理论分析

机器人的通过性反映了其通过各种非结构化道路以及障碍物的能力，和非结构化路面的物理性质以及轮履机器人的结构、几何参数之间具有密切的关系[12]。从理论的角度分析所设计的轮履复合巡检机器人爬坡性能与越障性能。

2.1 爬坡性能理论分析

在巡检作业的过程中，爬坡十分常见。对轮履复合巡检机器人爬坡工况进行受力分析，如图3所示。

图3机器人爬坡受力分析

当机器人匀速爬坡时，根据力矩平衡方程可得[13]:

式中：b为滚轮中心和车体重心之间的距离；G为巡检机器人重力；α为爬坡角；h为重心点和爬坡面的距离；N为地面支持力的合力；l为力矩。

为了满足机器人爬坡时不翻倒，那么l≥0,进而可以得到：

式中：αs为机器人不翻倒的最大倾角。

图4三角履带越障受力分析

2.2 越障性能理论分析

2.2.1 越过垂直障碍物性能

三角履带越过垂直障碍物的过程可以划分为两个阶段：第一阶段是三角形履带模块中导向轮上的履带板接触垂直障碍物，上升到最高点，整个机器人的重心越过垂直障碍物的临界状态；第二阶段是机器人的重心超过垂直障碍物边缘，履带底部也在垂直障碍物上，最终越过垂直障碍物[14]。

由图4,根据平衡方程可得[15]:

式中：F11为法向反力；α为与水平面的角度；f为摩擦因数；φ为履带和地面摩擦因数；F12为履带正法向反力；F2为后轮处压力；G为重力；e为三角履带轮间距；δ为倾角。

图5后轮越障受力分析

对三角形履带而言，其越过垂直障碍物的高度满足[16]:

式中：L为履带和地面接触长度；l1为越障履带轮和障碍物之间距离。

当机器人的后轮越过垂直障碍物时，进行受力分析，如图5所示。

由图5,根据平衡方程可得：

通过代入相关参数进行计算可以得到机器人后轮越过垂直障碍物的最大高度。

2.2.2 越过沟槽障碍物性能

轮履复合巡检机器人的三角履带越过沟槽可以划分为3个阶段，具体如图6所示[17]。

图6三角履带越沟槽的3个阶段

由图6可知，在第一阶段，三角履带轮的接地前缘接触到沟槽边缘，逐渐离开地面，悬挂在空中；在第二阶段，三角履带轮的重心穿过沟槽边缘，即将悬挂，三角履带处于倾斜状态；在第三阶段，三角履带轮的接地前缘达到沟槽的另一边，此时三角履带处于水平状态，完全跨越了沟槽[18]。三角履带底盘跨越沟槽的宽度与底盘履带接地长度和整个底盘重心位置有关。当导向轮的接地前缘接触到沟槽的另一边时，宽度达到最大值，如图7所示。

图7三角履带越沟槽

由图7可知，三角履带轮能够跨越沟槽的最大宽度为[19]:

式中：dm为沟壑宽度；l为两履带轮间距；l1为履带轮中心和障碍物间距。

按照同样的方法对巡检机器人后轮进行分析，得到后轮能够跨越沟槽的最大宽度为：

3、动态仿真分析

3.1 不同路面仿真分析

结合设计的轮履复合巡检机器人结构参数，采用多体动力学软件RecurDyn中的Track-HM模块建立轮履复合巡检机器人的多体动力学模型，通过修改机器人的行驶速度、预张紧力、非结构化路面参数等，获得不同行驶工况下的动态仿真结果[20]。在软件中构建两种路面类型，分别为黏土路面(clay)和砂土路面(sandy soil),通过仿真得到机器人在行驶时履带的张紧力与驱动轮扭矩，结果如图8所示。

图8不同路面履带张紧力与驱动轮扭矩

由图8可知，轮履复合巡检机器人在黏土路面和砂土路面上行驶时，三角形履带的张紧力与驱动轮扭矩相似。由图8(a)可知，三角形履带的张紧力在42 kN附近波动，最小张紧力出现在0.2 s, 最大张紧力出现在3.7 s。由图8(b)可知，三角形履带的驱动轮扭矩在2.0 kN·m附近波动，最小驱动扭矩出现在0.1 s, 最大驱动扭矩出现在0.2 s, 在1.0 s之后驱动轮扭矩波动趋于稳定。

3.2 不同爬坡角度仿真分析

考虑所设计轮履复合巡检机器人的实际作业情况，对35°和25°斜坡进行模拟仿真，结果如图9所示。

图9不同爬坡角度履带张紧力与驱动轮扭矩

由图9(a)可知，当轮履复合巡检机器人通过25°坡时，三角形履带张紧力在41 kN附近波动，同时在4.2 s时张紧力最小，在7.4 s时张紧力最大；当通过35°坡时，三角形履带张紧力在45 kN附近波动，同时在0.8 s时张紧力最小，在7.6 s时张紧力最大。即轮履复合巡检机器人通过的坡度越大，其履带轮张紧力也越大。由图9(b)可知，当轮履复合巡检机器人通过35°坡时，其驱动轮扭矩波动大于通过25°坡时的扭矩波动，同时机器人通过的坡度越大，驱动轮扭矩也越大。

3.3 不同垂直障碍物高度仿真分析

通过理论计算，所设计的轮履复合巡检机器人可以通过的垂直障碍物最大高度为232 mm, 对垂直障碍物高度为200 mm和232 mm进行仿真分析，结果如图10所示。

图10不同障碍物高度履带张紧力与驱动轮扭矩

由图10(a)可知，当机器人越过垂直障碍物高度为200 mm时，三角形履带张紧力在42 kN附近波动，在1.3 s时张紧力最小，在3.8 s时张紧力最大；当越过垂直障碍物高度为232 mm时，三角形履带张紧力在45 kN附近波动，在3.2 s时张紧力最小，在3.9 s时张紧力最大。对比张紧力的波动情况可知，通过垂直障碍物的高度越高，张紧力的波动越大。由图10(b)可知，当通过垂直障碍物高度为232 mm时，驱动力扭矩波动非常大，同时越过的垂直障碍物高度越高，所需要的驱动扭矩越大。

3.4 不同沟槽宽度仿真分析

通过理论计算，所设计的轮履复合巡检机器人可以通过的最大沟槽宽度为671 mm, 对沟槽宽度为600 mm和671 mm进行仿真分析，结果如图11所示。

图11不同沟槽宽度履带张紧力与驱动扭矩

由图11(a)可知，当机器人通过沟槽宽度为600 mm时，三角形履带张紧力在40 kN附近波动，在4.1 s时张紧力最小，在7.6 s时张紧力最大；当通过沟槽宽度为671 mm时，三角形履带张紧力在43 kN附近波动，在3.6 s时张紧力最大，在5.2 s时张紧力最小。对比越过不同沟槽宽度时履带张紧力波动大小，很明显沟槽宽度越大，履带张紧力波动越大。由图11(b)可知，当机器人通过沟槽宽度为671 mm时，履带驱动轮扭矩波动非常大，同时所需要的驱动扭矩值也越大。

4、结论

结合巡检需求设计了轮履复合巡检机器人，有效兼顾了轮式机器人与履带式机器人的优势。设计的轮履复合巡检机器人前轮采用三角形履带轮，后轮为普通车轮。对轮履复合巡检机器人的爬坡性能、越障性能进行理论分析，得到了最大爬坡度为35°,可以越过垂直障碍物的最大高度为323 mm, 可以通过的最大沟槽宽度为671 mm。采用RecurDyn软件搭建了轮履复合巡检机器人的动力学模型，通过仿真分析指出在机器人在爬坡、越过垂直障碍物以及通过沟槽时，履带张紧力和驱动轮扭矩增加，同时爬坡角越大、越过垂直障碍物高度越高以及通过沟槽宽度越大，其履带张紧力与驱动轮扭矩波动也越大。这对轮履复合巡检机器人的实物结构设计提供了理论参考。

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