基于虚拟样机的复合式履带机器人动力学分析

复合式越障机器人是适形越障机器人的-种，它有多种结构形式，如轮/腿式、轮/履带式等。它们通过机构之间的合作完成在泥泞地面上的行走和跨越障碍等各种不同的任务。笔者采用的复合式越障机器人使用两套履带系统，即主履带和从履带，主履带和其支架、车身本体组成主车体，从履带和其支架组成摆臂。机器人结构参数如表 1所列，整车质量为226.8 kg，仿真平台采用 Recurdyn中的履带车拈。

表 1 机器人结构参数 /mm项 目整车长度主履带系统总长从履带系统总长整车宽度履带行走系宽度履带行走系高度在 Recurdyn中建立样机模型并仿真的步骤为：建立车身样机；建立履带块；组装履带系统；定义地面形状；定义接触参数及输出；设置仿真参数和仿真。

Recurdyn中的 HM拈对于履带系统的建模已有成熟的拈，履带系统中的链轮、导向轮、履靴都可进行参数化建模，根据表 1的数据，得到驱动链轮的公称半径(Recurdyn中的循环半径)为84.73 miTl，建立虚拟模型如图 1所示 。

图 1 机器人虚拟模型2 硬质路面上的动力学仿真结果设置履带接地面与地面的接触参数如表 2所列[3-4]。

表2 硬质路面接触参数设置收稿日期：2013-05-29作者简介：丁 艳(1983-)，女，陕西汉中人，硕士，助教，主要从事机器人结构设计方面的科研工作。

· 52·· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 研究与分析设置主从履带驱动链轮的速度为 180。/s，得到车体位置仿真结果如图 2所示∩以看到，在 10 S内，机器人前进了2 308 mm，略小于在此速度下链轮10 s的线位移 84.73x3.14x10：2 661 mm，说明在此硬质路面上，履带仍有少许弹性滑动情况存在。

同时车体速度变化曲线如图3所示。在车体启动阶段，由于摩擦状态不稳定速度波动较大，4 s后保持-相对稳定值 250 mm/s，这与理论计算值3.14×84.73266 mm基本-致。

图2 平地硬质地面 图3 平地硬质地面 向向车体位置 车体速度还可得到主履带链轮旋转副的力矩如图4所示。

样机启动阶段由于转速低，链轮的负载扭矩很大。样机进入匀速行驶阶段后，链轮扭矩保持-相对稳定值 15～20 N·m左右，由于履带抖动，此过程仍有扭矩突变。

从履带系统链轮旋转副的驱动力矩如图5所示，设从履带链轮的旋转方向和主履带链轮-致、大小相等，但从图5可看出部分时间会出现负扭矩，说明这些时间段从履带系统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。

-/400O00· 300000200000旨 1O0c帅 0蒌 .-J !器 lDri vT0r e‰-啪cIM·m)图4 平地硬质路面主履带 图5 平地硬质路面从履链轮转矩 带链轮转矩同时可以得到主履带系统中某-履带块 track-linkS2的数据，tracklinkS2在履带系统中的初始位置如图6所示，位于链轮正上方顶部，加粗线处。

测量仿真中该履带块的垂直向位置如图7所示，可以看出tracklinkS2分别 2次经过正负最远点，4次经过位置0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。

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 8所示。图中tracklinkS2在 1个回转周期所受到的力出现了4个峰值，对照上图可知在这 4个峰值时，TracklinkS2都位于 y轴负向的极限-85 mil左右，也就是说位于履带接地段▲-步考察它们在接地段的时间，可知前 3个值分别是 TracklinkS2与负重轮1、负重轮 2、负重轮 3的接触力；第四个峰值是 track-linkS2与引导轮初始接触时的接触力，此峰值之后接触力有-段时间变化仍比较剧烈，直到 tracklink的 y向位置变为正向极值为止，因此可以判断这段时间内tracklinkS2仍然与引导轮接触，这段力正是它与引导轮的接触力。所以引导轮与 tracklinkS2刚接触时有冲击载荷。

图7 平地硬质路面 tracklink～ 图8 平地硬质路面 acklink-s2垂直向(y向)位置 s2与轮系接触力同时还有 tracklinkS2与链轮的接触力如图9所示。该接触力在 tracklinkS2从 l，向正极限位置开始进入负极限位置时有 1个小峰值，之后有-段波动，到达 y向负极限位置时又出现了1个较大峰值 ，对照图l0可知这分别是 tracklinkS2刚与链轮接触、在链轮传动中以及未脱离链轮接触而进入接地段的时刻。

TracklinkS2在-、三时刻受到冲击载荷，二时刻时受到平稳载荷。 -巴FH Sprocket-TrackUn S2(N。

啪 图9 平地硬质路面tracklink- 图10 平地硬质路面 tracklink-s2与主链轮接触力 s2与地面接触力图6 履带块t k1i ks2初始位置 从 tracklinks2与地面的接触力如图 10所示，同· 53·n，lIE 五≈op 咖啪蝴啪咖∞ ∞ O ∞ ∞ O O O O蛇 蛇1 .N] 吕 0～暮-的帆～ 0 趣 ㈣n -- ～峭 ； 叫 ㈣研究与分析 2013 第4期(第26卷，总第126期)·机械研究与应用 ·样可验证以上结论。图中 1个回转周期内出现了5个峰值，分别对应图8、9的 tracklinkS2与轮系及链轮的冲击载荷，说明这种冲击载荷在地面、tracklink、引导轮、负重轮、链轮间形成 1个作用体系。

3 软性路面上的仿真结果以上硬质路面数据验证了 Recurdyn对履带车仿真的可靠性，这类数据适用于-般水泥路面、干土路面等，对于软性路面，需要适当调整土壤参数。以下以-般粘土路面为环境对象进行仿真，这种路面多用于操尝网球场等柔性场面，轮式样机在上面行驶时，极易发生沉陷打滑。

取粘土的土壤特性参数如表 3所列，将这些参数写入用户子程序中，生成dU文件，调用此文件来模拟粘土路面 ～。

表 3 粘土路面土壤参数设置仿真得到样机在粘土路面上行驶时的形态如图11所示，可看出样机在路面上的沉陷量较大，其中因车体重心靠后，主履带沉陷大于从履带，主履带后半段沉陷量比前半段大得多，因压力分配不均匀有可能导致履带局部接地，履带块的疲劳载荷过大，降低履带寿命，因此设计时要注意重心的合理分配。采用与硬质路面同样的方法，首先得到车体的位置如图 12昕示 。

图 11 平地粘土路面模型 图 12 平地粘土路面 向行驶图 车体位置样机在 10 S内沿 方向前进了2 231 1Tim，略低于硬质路面的2 308 ITlm，这是由于样机的外部行驶阻力增大。样机前进速度也有减缓如图 13所示，稳定速度在240 ram/s左右。

得到车体的垂直位置如图 14，仿真开始后，样机位置从初始时间的33 mm沉陷到-2.8 mm，而后由于履带转动和样机前进，样机位置上升至 4 mm左右。也就是说，样机稳定行驶时，其沉陷量将保持在29 ITlm.芹右。

图 13 平地粘土路面 向车体速度· 54·图 14 平地粘土路面 Y向车体位置样机前进中的主履带系统链轮驱动力矩如图 l5所示。平稳行驶时，此扭矩保持在 80 N·m左右，远大于硬质路面样机行驶的负载扭矩 l5～20 N·m，因此在此类路面上行驶时需对马达性能做适当调整。

从履带系统链轮驱动力矩如图 16所示。因载荷不稳定，该扭矩同样出现负值，但与硬质路面不同的是，稳定行驶期问该扭矩为正值，保持在12 N·ITI左右，说明此时从履带和主履带同样起到了驱动负载的作用。

喜- i- 吾。o0j m ～ o。D仉m llq∞∞∞O㈨ j硒 8硫 ieTime(s)图 l5 平地粘土路面主履带 图 l6 平地粘土路面从履带链轮转矩 链轮转矩tracklinkS2的垂直 ，向位置如图 17所示 .相比较在硬质路面上，其位置同样从仿真开始后由 平面上方转至下方，但不同的是它在负极限位置并未保持稳定值，而是不断沉陷，这说明从链轮正下方到引导轮正下方，履带接地段的沉陷量不同，引导轮下履带沉陷量更大，这是由于重心位置没有与几何中心位置重合造成的，与行驶状态图所观察到的情况-致。

tracklinkS2与轮系的接触力如图 l8所示，可以看出tracklink与负重轮的接触力比之硬质路面时较小，与引导轮接触时的冲击载荷较小，但稳定载荷略大 ，在 30 N左右。

tracklinkS2与链轮的接触力如图 19所示，可以看出，在软性路面行驶时，该接触力更为平稳，最大冲击载荷比硬质路面时校tracklinkS2与地面的接触力也体现了同样的特征，如图20昕示。由此可知因土壤性质不同，软性土· 机械研究与应用 ·2013年第4期(第26卷，总第126期) 研究与分析壤情况下样机所受的冲击更校图 17平地粘土路面tracHink-s2垂直向(Y向)位置图 1 9平地粘土路面 tracklink-S2与链轮接触力图 18平地粘土路面 tracklink-S2与轮系接触力图20平地粘土路面tracklinks2与地面接触力4 结 论通过以上仿真可知，对于文中质量为 226.8 kg的复合式越障机器人来说，其在参数-定的硬质路面上匀速稳定行驶所需要的扭矩为 15～20 N·m，在以粘土为例的软性路面上匀速稳定行驶所需的扭矩为80 N·m左右。但得到的这些参数都是建立在已有模型结构参数的基础上，所以适当调整结构，改变重心位置，可提高各履带系统驱动能量的利用率，降低机器人在软性路面的不均匀沉陷，是下-步改善设计所应该考虑的。