蔣國平，諶炎輝

(1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006;2.重型車輛零部件先進(jìn)設(shè)計制造教育部工程研究中心，廣西 柳州 545006)

0 引言

爬壁機(jī)器人作為機(jī)器人產(chǎn)品的一個重要分支，憑借其能適應(yīng)高負(fù)荷的工作強(qiáng)度、惡劣的工作環(huán)境且外形相對小巧、移動靈活等特點，在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。其中爬壁機(jī)器人行走裝置是實現(xiàn)機(jī)器人各種功能的首要條件和必備基礎(chǔ)。國內(nèi)許多研究人員對機(jī)器人輪式和足式行走裝置展開了相關(guān)研究，宮麗男等[1]提出以甲蟲6足結(jié)構(gòu)為摹本設(shè)計了一種6足仿生機(jī)器人,較好的提高了機(jī)器人對工作環(huán)境的適應(yīng)性；王浩等[2-3]提出將驅(qū)動輪與6足結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合,設(shè)計了一種6足輪腿復(fù)合機(jī)器人，有效提高了機(jī)器人對復(fù)雜地形環(huán)境的適應(yīng)力；王忠民等[4]提出一種6輪探測機(jī)器人平臺提高了礦井下搜救機(jī)器人的移動性；王克俊等[5]提出一種由全向輪為驅(qū)動輪的行走裝置，使得機(jī)器人可以進(jìn)行任意姿態(tài)調(diào)整；李根等[6]提出利用雙履帶為機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)并配和可調(diào)間隙式吸附機(jī)構(gòu)完成機(jī)器人爬壁功能；方春富等[7]提出了一種新型全向驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)，解決了機(jī)器人在行走時因輪子周圍的輥子交替接觸地面產(chǎn)生振動,對行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的問題；劉濤等[8]在分析傳統(tǒng)蝦形6輪機(jī)器人基礎(chǔ)上提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對改進(jìn)后的裝置進(jìn)行了穩(wěn)定性研究；

但這些研究大多集中在剛性行走裝置的設(shè)計上，其最大的不足是剛性行走裝置不能過濾掉因路面的不平整而對機(jī)器人本體運行穩(wěn)定性、精度等造成的影響?；趥鹘y(tǒng)爬壁機(jī)器人驅(qū)動輪裝置的缺陷設(shè)計了一種具有柔性結(jié)構(gòu)的新型驅(qū)動輪裝置。該裝置通過連接軸之間的彈性滑桿組件實現(xiàn)對由墻面產(chǎn)生的沖擊載荷進(jìn)行過濾吸收功能，保證爬壁機(jī)器人運行平穩(wěn)、控制精確，為新型爬壁機(jī)器人進(jìn)一步開發(fā)提供理論依據(jù)，也為機(jī)器人精確控制創(chuàng)造條件。

1 萬向驅(qū)動輪裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1 萬向驅(qū)動輪裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了解決傳統(tǒng)機(jī)器人輪式行走裝置主動輪采取的剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，新型主動輪采用柔性可調(diào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。主動輪主體結(jié)構(gòu)由主動輪轉(zhuǎn)向電機(jī)軸、緊固螺栓、鎖緊螺母、外滑套、高壓彈簧、內(nèi)套桿、小型電機(jī)安裝板、電機(jī)固定套、蝸輪蝸桿減速裝置、橡膠滾輪、擋泥板組成、擋泥板直角安裝板、電機(jī)安裝座組成，如圖1所示。

圖1 萬向驅(qū)動輪裝置結(jié)構(gòu)圖

其中高壓彈簧、滑動套桿組件的存在保證了爬壁機(jī)器人在行走過程中，輪子所受的路面沖擊載荷能夠被有效吸收；驅(qū)動輪裝置中的小型電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)的組合使用主要是給橡膠滾輪提供一個低轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定動力；主動輪中間的緊固螺栓、鎖緊螺母起到傳遞換向伺服電機(jī)扭矩和動力的作用。其中內(nèi)滑桿設(shè)計為類似花鍵的結(jié)構(gòu)，使其在具備縱向滑動的同時還能具備橫向傳遞扭矩的功能，在裝置中實現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動主動輪轉(zhuǎn)向的功能，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 滑套滑桿具體結(jié)構(gòu)圖

1.2 萬向驅(qū)動輪裝置工作原理

萬向驅(qū)動輪裝置工作方式主要是通過與之相連接的轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)帶動二級連接傳動軸實現(xiàn)爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向動作和任意姿態(tài)的調(diào)整，通過其中的內(nèi)滑桿、外滑套傳遞電機(jī)的扭矩。而小型直流電機(jī)通過減速機(jī)的減速及增距處理后將動力傳輸給主動輪滾輪實現(xiàn)機(jī)器人沿壁面行走的功能。當(dāng)爬壁機(jī)器人遇到壁面對主動輪產(chǎn)生的沖擊載荷時，滑桿會在內(nèi)滑套中移動，并利用高壓彈簧吸收這部分沖擊載荷，保證爬壁機(jī)器人行走穩(wěn)定性不會受到影響。

2 萬向驅(qū)動輪裝置力學(xué)分析

為保證所設(shè)計的萬向驅(qū)動輪裝置能夠滿足使用過程中的承載要求，對其進(jìn)行了力學(xué)分析。驅(qū)動輪裝置主要受到自身重力G1、驅(qū)動輪滾輪與圓柱墻面的摩擦力f1、墻面對主動輪的支反力FN2的作用。驅(qū)動輪還受到轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)提供的扭矩T1作用、機(jī)器人裝置外框軸承對驅(qū)動輪主軸軸肩的一個壓緊力FN1的作用、爬壁機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)與墻體會產(chǎn)生一個較大的摩擦力f21并最終通過反作用力作用在驅(qū)動輪上而墻體則會對驅(qū)動輪裝置產(chǎn)生一個反作用力f22的作用力。滾輪的驅(qū)動電機(jī)將會對滾輪作用一個驅(qū)動扭矩T2，具體受力狀態(tài)圖，如圖3所示。

當(dāng)考慮軸向受力狀態(tài)時，為保證主動輪裝置能夠?qū)崿F(xiàn)小變形，取軸向允許變形量值Δx為0.1mm。由材料的軸向變形公式：

(1)

其中，F(xiàn)N為主動輪軸受到的軸向內(nèi)力、L為主動輪軸的總長度此處為117mm、E為軸對應(yīng)材料的楊氏模量此處為2.1e+011Pa泊松比值為0.28、抗剪模量為7.9e+10Pa、A為驅(qū)動輪軸圓截面面積、此處FN通過截面法易求得：

FN=FN1=FN2=KX

(2)

所選高壓彈簧的彈性系數(shù)為0.4，高壓彈簧初步調(diào)節(jié)的壓縮距離X為25mm；

(3)

可求出軸直徑d的范圍值，代入數(shù)值求得d11大于等于15.277mm。當(dāng)考慮彎矩的作用下的受力狀態(tài)時，通過所選電機(jī)的具體型號及工作參數(shù)求得主動輪的對應(yīng)驅(qū)動力矩，由驅(qū)動力矩公式：

(4)

可求出對應(yīng)驅(qū)動力矩T1、T2；主動輪所分配的重量G1等于G/12其中總重G為10.868kg。橡膠滾輪與混凝土墻面之間的摩擦力f3等于μ與FN2的乘積，其中μ取值為0.4。由彎曲正應(yīng)力公式：

(5)

由于X1與σ成正比關(guān)系,當(dāng)X1等于R等于d/2時σ達(dá)到最大值：

(6)

由彎曲切應(yīng)力公式：

(7)

此處圓形截面的主動輪軸的靜矩SZ為d3/12，代入已知數(shù)值求得d22大于等于15.766mm。

當(dāng)考慮受扭狀態(tài)時，由扭矩公式：

(8)

代入數(shù)值求得d31大于等于12.433mm。

為保證主動輪在多種受力狀態(tài)下均能滿足強(qiáng)度使用要求取d的求解相對最大值并取整數(shù)，所以萬向驅(qū)動輪主軸最小處直徑設(shè)計為16mm滿足強(qiáng)度使用要求。

圖3 主動輪受力簡圖

3 萬向驅(qū)動輪裝置靜力學(xué)仿真

為了對爬壁機(jī)器人的驅(qū)動輪承載能力及受力分析過程進(jìn)行直觀驗證，利用有限元軟件Workbench進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析。為減少有限元后處理的計算工作量，對主動輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化。將滑動套桿處及其兩端的螺栓連接觸進(jìn)行剛化處理。直流驅(qū)動電機(jī)部分通過蝸輪蝸桿傳遞扭矩至主動輪滾輪處，可將扭矩作用載荷直接加載至主動輪并略去電機(jī)、蝸輪蝸桿傳動部分的具體結(jié)構(gòu)。將簡化后的主動輪三維模型保存為IGES格式，并導(dǎo)入到Workbench的geometry中，然后進(jìn)行材料的選擇、網(wǎng)格的劃分，在重點受力部位、形狀突變處進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化處理。并根據(jù)前面的受力分析完成對有限元模型的加載處理，最后進(jìn)行有限元求解，得到主動輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變云圖，如圖4所示。

(a) 總變形圖

(b) 應(yīng)力云圖

(c) 應(yīng)變云圖 圖4 主動輪有限元求解圖

通過有限元仿真發(fā)現(xiàn)主動輪主軸的變形顯示為深藍(lán)色，幾乎無變形；滾輪選用的為橡膠材質(zhì)，擋泥板選用的為塑料材質(zhì)，受到擠壓力的作用有略微變形，但是都在安全范圍內(nèi)滿足強(qiáng)度使用要求；主動輪最大應(yīng)力為1.712e6Pa，最大應(yīng)變?yōu)?.6509均在安全工作范圍內(nèi)。通過應(yīng)力應(yīng)變云圖發(fā)現(xiàn)萬向驅(qū)動輪主軸能夠承受住工作過程中的載荷影響，滿足爬壁機(jī)器人正常使用需求，也因此驗證了驅(qū)動輪力學(xué)理論分析的正確性。

4 萬向驅(qū)動輪裝置運動學(xué)仿真

為了對新型萬向驅(qū)動輪裝置抵抗輪子與路面之間沖擊載荷的能力進(jìn)行驗證，將萬向驅(qū)動輪裝置結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行虛擬仿真實驗，如圖5所示。為了減少軟件不必要的計算量，對萬向驅(qū)動輪裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡化，略去了驅(qū)動輪裝置上的小型直流電機(jī)、蝸輪蝸桿減速裝置，直接將其輸出動力添加到滾輪的驅(qū)動軸上，保證了略去的部分結(jié)構(gòu)不會對仿真結(jié)果產(chǎn)生影響。本次仿真實驗分別對傳統(tǒng)無滑動套桿結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)和所設(shè)計的新型萬向驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析對比。

圖5 萬向驅(qū)動輪約束圖

首先對簡化后的新型萬向驅(qū)動輪模型進(jìn)行各零件的材料設(shè)定，其次添加對應(yīng)約束。在設(shè)置中將路面與ground進(jìn)行固定，主動輪長連接軸與滑套零件、滑桿零件與主動輪連接頭部分、連接頭與擋泥板之間、擋泥板與主動輪連接軸之間均進(jìn)行固定約束，使其成為一個剛體。在滾輪與主動輪連接軸之間添加一個轉(zhuǎn)動副約束，并施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。對滾輪與地面之間施加碰撞力，并設(shè)定好靜摩擦系數(shù)值及動摩擦系數(shù)值。給萬向驅(qū)動輪裝置添加一個沿路面行走的初速度，此處將值取為1000mm/s。在兩組對比仿真試驗中，將新型萬向驅(qū)動輪一組中的滑套零件與滑桿零件之間添加滑動副約束和添加高壓彈簧，其中彈簧材料剛度系數(shù)取為1.0e008、阻尼系數(shù)取為0.2。傳統(tǒng)爬壁機(jī)器人驅(qū)動輪一組則將其約束設(shè)置為實際使用時的剛性連接，用來模擬普通輪子運行情況。通過對兩組分別進(jìn)行動力仿真，并進(jìn)行后處理得到了萬向驅(qū)動輪Y向即垂直地面方向的速度、加速度、高度變化值、角速度、角加速度變化特性曲線。

如圖6所示，實線表示所設(shè)計的萬向驅(qū)動輪裝置長連接軸Y向高度變化，虛線表示傳統(tǒng)驅(qū)動輪裝置的Y向高度變化圖像。從圖像易知當(dāng)運行到0.38s的時候，裝置運行至路面凹坑處，兩裝置都出現(xiàn)了Y向負(fù)位移，負(fù)位移值為2.25mm。由于所設(shè)計的新型萬向驅(qū)動輪裝置采用滑桿、滑套和高壓彈簧組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，在通過凹坑處時，受重力作用影響，滑套并未沿著滑桿下滑，而是與另一組傳統(tǒng)驅(qū)動輪裝置一樣的高度變化，剛好證明了高壓彈簧在新型萬向驅(qū)動輪裝置中起到了有效支撐作用。

圖6 萬向驅(qū)動輪裝置運動Y向高度變化對比圖

由圖7得到兩組裝置的速度對比特性曲線，在兩組裝置沿路面行進(jìn)過程中其Y向速度都大致相等，但在0.38s處速度出現(xiàn)突變，實線表示的新型萬向驅(qū)動輪速度最大值約50mm/s比虛線表示的傳統(tǒng)驅(qū)動輪最大速度值約110mm/s突變值縮小近50%。

圖7 萬向驅(qū)動輪裝置運動Y向速度變化對比圖

由圖8得到裝置在0.38s經(jīng)過路面凹坑處實線表示的新型萬向驅(qū)動輪裝置Y向加速度值約為5e+004，虛線表示的傳統(tǒng)驅(qū)動輪加速度值為3.5e+005，Y向加速度比普通裝置縮小了7倍，其余時刻加速度曲線相差不大。由圖9得到兩裝置Y向角速度均穩(wěn)定在0值裝置始終保持直線前行，與實際運動情況相符合。由圖10得到兩組實驗裝置的角加速度特性曲線，通過對比明顯發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝置通過路面凹坑處時間為0.38s時，實線表示的新型萬向驅(qū)動輪裝置Y向角加速度近似為0，虛線表示的傳統(tǒng)驅(qū)動輪值較大，且波動范圍也較大。通過對新型萬向驅(qū)動輪裝置、和傳統(tǒng)驅(qū)動輪裝置進(jìn)行ADAMS虛擬仿真實驗，由仿真結(jié)果很明顯可以得到結(jié)論，新型萬向驅(qū)動輪裝置速度、加速度、角加速度特性曲線均優(yōu)于傳統(tǒng)驅(qū)動輪裝置。新型萬向驅(qū)動輪裝置運動更加平穩(wěn)，其中的滑桿、滑套、高壓彈簧組合機(jī)構(gòu)有效吸收了路面的沖擊載荷。通過仿真實驗也驗證了新型萬向驅(qū)動輪裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，及運動的可行性。

圖8 萬向驅(qū)動輪裝置運動Y向加速度變化對比圖

圖9 萬向驅(qū)動輪裝置運動Y向角速度變化對比圖

圖10 萬向驅(qū)動輪裝置運動Y向角加速度變化對比圖

5 結(jié)論

在對傳統(tǒng)驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)和運動特性缺陷進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種由滑桿、滑套與高壓彈簧構(gòu)成的新機(jī)構(gòu)，并將其應(yīng)用于新型驅(qū)動輪裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。對新型驅(qū)動輪裝置進(jìn)行了有限元仿真分析，仿真結(jié)果表明設(shè)計的新型驅(qū)動輪裝置結(jié)構(gòu)能夠承受工作載荷的影響，滿足強(qiáng)度使用要求，驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。通過對主動輪裝置進(jìn)行運動學(xué)分析，分析結(jié)果表明新裝置將Y向沖擊力縮小了7倍有效過濾了路面激勵影響，確保了裝置工作的穩(wěn)定性。研究為后期新型行走機(jī)器人的研制及開發(fā)提供理論參考依據(jù)。