主从履带复合式越障机器人Recurdyn行走研究

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复合式越障机器人是适形越障机器人 (Terrain AdaptiveVehicle，TAV)的-种，复合式越障机器人有多种结构形式，如轮/腿式、轮 覆带式等，其共同特点是具有很强的环境适应能力，既可充分发挥其中的某-种驱动机构在特定环境下所具有的优势，又可利用多种驱动机构各自具有的特点。国内外许多专家学者均对其进行了大量的研究工作，Kim和 Choi等建立了所研制的关节式履带机器人通过楼梯障碍时的力学模型 。

由于此类机器人结构复杂，系统开发涉及多学科和多领域知识，研究成本较高 ，开发风险大 ，所以在实际样机制造之前，有必要先 进行仿真研究 。选择 国际先进 的多体动力学 软件Recurdyn作为仿真工具，RecurDyn是由国外某公司基于递归-算法开发出的多体系统动力学仿真软件。它采用相对坐标系运动方程理论和完全递归算法，非常适合于求解大规模及复杂接触的多体动力学问题。Recurdyn自带 RecurDyn/Track HM高机动l生履带工具包和 RecurDyn/Track LM低机动性履带工具包 ，其中包括了丰富的履带系统组件，可参数化地调节各部件的几何形状，从而有效避免履带行走系建模时零件繁多、接触复杂、运动路径多变的问题。

在项目组研发设计的主从履带复合式越障机器人虚拟样机基础上，如图 1所示。首先对其履带行走系统的力学系统进行原理分析，随后在给出各种与实际情况非秤近的参数设置下，详细研究分析了主从履带复合式越障机器人虚拟样机在平地硬质路面环境中的行走状态。详细的分析得出其基本行驶数据，包括速度、转矩、各零件间相互作用力等，这些数据充分验证了该样机模型的正确性，可靠性。

图 1主从履带复合式越障机器人样机模型Fig.1 Model of Master Slave-Tracked Robot2履带行走系统的力学系统对于履带车辆来说，履带板和路面间的附着力是行驶的外阻力，驱动链轮提供的驱动力与链轮、支重轮和导向轮的滚动阻力之差为地面牵引力 ，行驶时首先要克服行动装置中的损失(行动装来稿日期：2012-04-20基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目(SJ08A26)；中小企业技术创新基金(08c26226lO2372)作者简介：张建祥，(1980-)，男 ，山西晋城，讲师，硕士研究生，主要研究方向：物理学、计算机仿真和机械系统的有限元分析108 张建祥等：主从履带复合式越障机器人 Recurdyn行走研究 第2期置阻力)，才能为克服外阻力提供推进力(可传递的牵引力) 。 3硬质路面仿真分析根据以上所述力学平衡关系有：： - ： (1)式e： -驱动轮转矩 ； ，-内部总阻力矩；r -驱动轮半径 ；～ 驱动轮驱动力； -地面牵引力； -内部摩擦总阻力，即行动装置阻力。

有效牵引力 可表示为：FTFK-FR 02)式中： -外部行驶阻力。

定义行驶阻力系数为履带挤压土壤而产生的变形阻力的水平分力与机器重力之比值及内摩擦阻力系数之和，即有： (3)式中；产-行驶阻力系数； -土壤水平变形阻力；G-机器重力与垂直外载荷的合力i -机器内摩擦阻力系数，-般取fo0.07。

内部行驶阻力包括主动轮和履带链的啮合摩擦阻力，支重轮和张紧轮在履带上的滚动摩擦力，支重轮、托带轮和张紧轮转动时轴承、密封件内部产生的摩擦力等，这些摩擦力只与履带式车辆的质量大型支重轮、导向轮等轮系的结构、材质及润滑条件有关，而与路面状态无关，在履带式行走系车辆的设计中，为简化计算，-般取内摩擦阻力系数为 0.07 。

外部行驶阻力主要是指地面由于受到履带挤压而产生的变形阻力 ，当机器重心与履带行驶装置几何中心重合时，土壤水平变形阻力只发生在履带接地区段最前端，其余部分将不产生附加土壤水平变形阻力。此时机器所承受总的土壤水平变形阻力为： l等帐 (4)其行驶阻力为： 2 ) (5)(，l1)f拿 1行驶阻力系数为：， - - ) fo (6)G( )f拿式中：n-土壤变形指数；6-履带宽度；Z -履带最大沉陷深度。

提供对各种常见地面的履带行驶阻力系数的试验值，如表1所示。供理论计算参考用。

表 1履带式车辆行驶阻力系数及附着系数Tab.1 Tracked Vehicle Drag Coeficient andCoeficient of Adhesion根据实际情况，设主从履带驱动链轮的速度为 1 80deg/s，履带与地面的接触参数 ，如表 2所示。使用Trace Data功能可以看到，在 lO(s)内，机器人前进了2308mm，略小于在此速度下链轮10s的线位移 84.73x3.14x102661(mm)。

表2硬质路面接触参数Tab.2 Contact Parameters Seting of Hard Road.111 .且 lI6 岫jI! Vu uL 2uuu 4 OtYJ 6 000 000 l0 000rile图2硬质路面主履带链轮转矩Fig.2 Driving Torque of Master Sprocket on Hard Road在车体启动阶段，由于摩擦状态的不稳定，速度波动较大，4s后保持在相对稳定值 250mm/s，这与理论计算值 3.14x84.73266(mm)基本-致。

还可得到主履带链轮旋转副的力矩，如图2所示。样机启动阶段由于转速低，链轮的负载扭矩是很大的，这与实际情况相符。

样机进入匀速行驶阶段后，链轮扭矩保持在相对稳定值(15-20)N·m左右，由于履带抖动，此过程中仍然有扭矩突变。

Driving Torque-Rew waC1 lian(NamWW 嘲啊 糌嘲 耐 研嵴黼附带醐llime图3 硬质路面从履带链轮转矩Fig.3 Driving Torque of Slave Sprocket on Hard Road从履带系统链轮旋转副的驱动力矩，如图3所示。从履带链轮的旋转方向是设为和主履带链轮-致、大小相等的，但从图上可看出部分时间里出现负扭矩，说明这些时间里从履带系统其实并未起到为样机前进提供动力的作用，而是由样机反拖动其转动，对其反馈能量。两履带系统也没有达到协同提供动力的目的，而是主履带系统负载着从履带系统的转动，这种冲击载荷对样机的传动系统是有害的 。

测量仿真中这个履带块的垂直向位置，可以看出tracklinkS2分别两次经过了正负最远点，4次经过位置零点即XZ平面)，也就是说tracklinkS2绕履带系统的运动路径旋转了两周。在正极限位置，曲线出现-定程度下凹，说明从链轮正上方至引导轮正上方，履带出现悬垂，因此还须对拖带轮进行调整。

No.2Feb.2013 机 械 设计 与 制造对照tracklinkS2在不同时刻的位置，得到它与轮系(包括引导轮、负重轮及托带轮)的接触力，如图4所示。图4中tracklinkS2在- 个回转周期所受到的力出现了四个峰值，说明这种冲击载荷在地面、tracklink、引导轮、负重轮、链轮间形成-个作用体系，在这四个峰值时，TracklinkS2都位于 l，轴负向的极限(-85)mli1左右，也就是说位于履带接地段。