全地形六輪移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

王奉晨，高宏力，宋興國，雷亞雄

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 引言

移動機(jī)器人研究是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。2015年5月19日，國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》規(guī)劃中指出，機(jī)器人成為重點(diǎn)領(lǐng)域之一。業(yè)內(nèi)分析，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將迎來黃金發(fā)展周期[1]。

移動機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)大致可分為履帶式、步行式、車輪式等幾種主要結(jié)構(gòu)形式[2]。其中，輪式移動機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)輕、動作穩(wěn)定、操縱簡單、容易控制速度和方向等優(yōu)點(diǎn)。

六輪移動機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)地形中比較常見。以Roky7、Spirit、Sojourner等為代表的搖臂懸架式越障機(jī)器人，其懸架機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不具有高速移動的性能。文獻(xiàn)[3-4]采用六輪獨(dú)立驅(qū)動，可以主動調(diào)節(jié)懸架剛度或主動控制懸掛，越障性能良好，移動速度較快，但其體型較大，在環(huán)境偵測，資源勘探等要求隱蔽性和靈活性的特定環(huán)境下并不適合。國內(nèi)對于小型六輪移動機(jī)器人的研究還比較少，國外最具代表性的就是卡耐基梅隆大學(xué)研制的Mini Crusher，其具有優(yōu)良的越障性能和較快的行駛速度[5]。

根據(jù)國家基金以及中央高校基金的研究目標(biāo)要求，設(shè)計(jì)制作一款小型全地形六輪移動機(jī)器人。

主要工作包括對移動機(jī)器人進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，通過建立平面轉(zhuǎn)向動力學(xué)模型得到電機(jī)的參數(shù)，運(yùn)用ADAMS軟件對移動機(jī)器人的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，運(yùn)用SolidWorks軟件建立了三維模型。最后完成樣機(jī)搭建，完成行走試驗(yàn)。

2 整體方案設(shè)計(jì)

輪式移動機(jī)器人具體設(shè)計(jì)要求，如表1所示。根據(jù)需求對整體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 總體選型

輪式移動機(jī)器人的車輪數(shù)量對于機(jī)器人的性能有很大的影響。六輪比四輪具有更好的越障性能，而且增加了馬達(dá)故障的魯棒性。八輪或者更多的輪子則會增加車體重量，增大能源消耗，增加控制的難度[6-7]。所以選擇六輪對稱配置。

輪胎的尺寸會直接影響車體的性能。輪胎直徑的大小會影響車輛的越障性能和松軟地面上的通過性；合理的輪胎直徑和寬度能夠保證在地面附著力較小的路況下具有足夠的驅(qū)動能力[7]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于輕小型車輛多采用寬小型輪子。考慮到車輪之間要有一定的安裝間隙，保證車輪運(yùn)動過程中不會干涉，考慮車身長度限制。對市場上輪胎進(jìn)行調(diào)研，選擇輪胎直徑22.8cm，輪胎寬8cm。

轉(zhuǎn)向模式?jīng)Q定了車體結(jié)構(gòu)和機(jī)動性能。輪式車輛大部分都會有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，但是其增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，而且一般不允許原地旋轉(zhuǎn)，在高速轉(zhuǎn)向時(shí)存在危險(xiǎn)。因此對于大多數(shù)輪式移動機(jī)器人選擇差動轉(zhuǎn)向[8]。差動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)在崎嶇不平的地面上具有可靠性。最終方案為6×6差動轉(zhuǎn)向。懸掛方式選擇獨(dú)立懸掛。

表1 機(jī)器人的預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Expected Design Parameters of the Prototype System

2.2 電機(jī)選型

機(jī)器人在野外運(yùn)行性能的優(yōu)劣和驅(qū)動裝置有直接的關(guān)系，其關(guān)鍵就是電機(jī)的選型。下面根據(jù)在松散路面上機(jī)器人差速轉(zhuǎn)向是所需的最大電機(jī)參數(shù)，對電機(jī)進(jìn)行初步選型。

差速轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的受力分析，如圖1所示。Fi為車輪驅(qū)動力，F(xiàn)ri為車輪所受側(cè)向阻力，F(xiàn)fi為車輪所受額滾動阻力。

建立車轉(zhuǎn)向的拉格朗日動力學(xué)方程：

車的總動能：

式中：m、I—車的質(zhì)量和繞幾何中心的慣性矩。

圖1 機(jī)器人轉(zhuǎn)向動力學(xué)分析Fig.1 Analysis of the Steering Dynamics

建立拉格朗日動力學(xué)微分方程，得到無約束條件下的六輪滑移轉(zhuǎn)向的動力學(xué)方程：

慣性坐標(biāo)系下的力：

繞形心的阻力矩：

式中：Ffi=Nif；Fri=Niμ；f—滾動摩擦系數(shù)；μ—側(cè)向力系數(shù)。

參考[9]中的方法引入多項(xiàng)式約束λ，方程兩邊同乘ST，得到六輪移動平臺滑移轉(zhuǎn)向的一般動力學(xué)方程：

為計(jì)算方便，設(shè)在低速、恒速轉(zhuǎn)向過程中，η˙=0，忽略其轉(zhuǎn)向時(shí)的離心力，xk=0，即旋轉(zhuǎn)的速度瞬心和局部坐標(biāo)原點(diǎn)重合。

最后整理可得：

對于松散土路面取μ=0.45，f=0.007[10]，計(jì)算可得：τL=τR=9.7Nm。

式中：K—安全因子；r—車輪半徑；η—減速器傳動效率。

取K=1.5，υ=0.5m/s，η=0.9可得單個(gè)電機(jī)所需功率為24.5W。

根據(jù)以上參數(shù)，所選電機(jī)為Maxon EC90無刷直流電機(jī)，配合減速比為8：1的減速器。驅(qū)動裝置參數(shù)，如表2所示。

表2 驅(qū)動參數(shù)Tab.2 Driving Parameters

3 原理樣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)化建模

ADAMS軟件是機(jī)器人優(yōu)化常用軟件[10-11]。機(jī)器人尺寸參數(shù)，如圖2所示。圖中：COM—車體質(zhì)心位置；A—彈簧避震器與車輪擺臂的鉸接點(diǎn)；B—彈簧避震器與懸掛支架的鉸接點(diǎn)；O1，O，O2點(diǎn)—懸架與車輪的鉸接點(diǎn)；β—彈簧避震器與懸掛支架的夾角。取O點(diǎn)—坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系。

圖2 機(jī)器人尺寸參數(shù)Fig.2 Robot Size Parameters

各設(shè)計(jì)參數(shù)和其初始值以及取值范圍，如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)變量與取值范圍Tab.3 Design Variable and Range

3.2 優(yōu)化指標(biāo)和目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的建立

機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)地形下要擁有良好的通過性，需要電機(jī)提供足夠大的力矩。在野外執(zhí)行任務(wù)過程中，車身的穩(wěn)定性至關(guān)重要。以越障過程中車輪的最大力矩和車身的最大俯仰角和最大縱向起伏度作為優(yōu)化目標(biāo)。這是一個(gè)多變量多目標(biāo)的優(yōu)化問題。在ADAMS優(yōu)化設(shè)計(jì)中，涉及到多目標(biāo)優(yōu)化問題時(shí)，處理原則是將各目標(biāo)函數(shù)統(tǒng)一到一個(gè)總的目標(biāo)函數(shù)中，加權(quán)組合法、目標(biāo)規(guī)劃法、功效系數(shù)法等轉(zhuǎn)換方法較為常見。為了降低同向指標(biāo)間的差距，使優(yōu)化結(jié)果更清晰，按照[12]的方法構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。

3.3 敏感度分析

以越障時(shí)每個(gè)輪子的最大力矩和車身的最大縱向起伏度以及最大俯仰角為優(yōu)化目標(biāo)，對其進(jìn)行敏感度分析。縱向起伏位移是通過位移函數(shù)DY進(jìn)行測量；俯仰角通過位移函數(shù)AZ進(jìn)行測量。設(shè)計(jì)變量敏感度，如表4所示。

表4 設(shè)計(jì)變量敏感度Tab.4 Design Variable Sensitivity

表中：1—前輪越障力矩；

2—中輪越障力矩；

3—后輪越障力矩；

4—車體縱向起伏位移；

5—車體俯仰。

Xe對前輪越障力矩影響比較大，X2對中輪越障影響較大，KS2、KS3的影響度比較大。因此在下一步優(yōu)化設(shè)計(jì)中，選擇Xe、X2、KS2、KS3以及β，對機(jī)器人參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，ADAMS內(nèi)置序列二次規(guī)劃法（sequentialquadratic programming，SQP），可方便的進(jìn)行優(yōu)化。

在ADAMS中，建立垂直高度為100mm，傾角為45°的障礙地形，以及機(jī)器人模型，添加相關(guān)的約束以及驅(qū)動函數(shù)，修改物體質(zhì)量屬性，車體重20kg，輪組重5.5kg，其中輪子重1.7kg。

優(yōu)化過程中，每個(gè)參數(shù)每變化一次，就要進(jìn)行一次尋優(yōu)計(jì)算，最終得到尺寸的最優(yōu)解。為了加工設(shè)計(jì)的方便，對數(shù)據(jù)進(jìn)行圓整，Xe、X2、KS2、KS3以及β分別取值0，306，2.8，2.8，19。其余參數(shù)X1，KS1分別取值296和2.8。

3.5 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前后力矩參數(shù)對比，如圖3所示。優(yōu)化后前輪越障最大力矩為1954.2N·mm，比優(yōu)化前的2286.1N·mm減少了14.5%；優(yōu)化后的后輪越障的最大力矩為2973.4N·mm，比優(yōu)化前的3862.5N·mm減少了23.0%，最大轉(zhuǎn)矩均未超過所選電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。

圖3 優(yōu)化前后力矩參數(shù)對比Fig.3 Comparison of Torque Parameters Between Initial and Optimization

優(yōu)化后的車身俯仰角與車身縱向起伏曲線，如圖4所示。比優(yōu)化前俯仰角減小，起伏的劇烈程度也降低了。

圖4 優(yōu)化前后穩(wěn)定性對比Fig.4 Comparison of Body Parameters Between Initial and Optimization

總的來說，優(yōu)化降低了越障所需力矩，減少了車身起伏的變化幅度，增強(qiáng)了車身的穩(wěn)定性。

4 平臺搭建

4.1 三維建模

通過以上分析，運(yùn)用SolidWorks軟件建立機(jī)器人各部分的三維模型和整體裝配圖，如圖5所示。設(shè)計(jì)分為車身部分和輪組部分。車身采用框架式的箱體結(jié)構(gòu)，車身后面是電氣箱，電氣箱內(nèi)分為三個(gè)部分，下面放置控制模塊，左右兩側(cè)為驅(qū)動器，中間為電源模塊，充分利用有限的空間。輪組模塊左右對稱安裝在車身兩側(cè)。輪組模塊主要有電機(jī)減速器、輪胎、避震器以及相應(yīng)的支撐元件組成。最終裝配圖，如圖6所示。

圖5 車身模塊、輪組模塊Fig.5 Car Body and Wheel Group

4.2 樣機(jī)搭建

完成零件加工，組裝實(shí)物樣機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)。對于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本課題選擇以色列的ELMO驅(qū)動器和倍福PLC控制器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對輪式移動機(jī)器人的控制。

樣機(jī)以0.5m/s的速度在泥土地面上直線行駛，效果良好。

圖6 三維模型和樣機(jī)圖Fig.6 The Assembly and Prototype

5 結(jié)論

自主研發(fā)了一款全地形輪式移動機(jī)器人，通過分析優(yōu)化，確定主要參數(shù)，完成零件加工，搭建機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，并完成行走實(shí)驗(yàn)。（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求和分析，確定車輪配置方式、輪胎選型和轉(zhuǎn)向模式；通過建立了六輪移動機(jī)器人差速轉(zhuǎn)向的動力學(xué)模型，得到電機(jī)的參數(shù)，確定電機(jī)型號，完成總體設(shè)計(jì)。（2）通過ADAMS對機(jī)器人的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到在一定條件下最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。（3）通過總體設(shè)計(jì)以及最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，建立機(jī)器人的三維模型，完成零件加工，搭建機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以0.5m/s的速度在泥土地面上直線行駛，效果良好。