基于構(gòu)型的輪式空間探測機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計與優(yōu)化

1、基于構(gòu)型的輪式空間探測機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計與優(yōu)化*尚建忠1 羅自榮1 張新訪2 范大鵬1(1.國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院 長沙 410073; 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 武漢 422829The Mechanism Based Creative Design and Optimum of Wheeled Space RoverSHANG Jianzhong 1 LUO Zirong 1 ZHANG Xinfang 2 FAN Dapeng 1(1.School of Mechatronics Engineering and Automation, National University

2、of Defense Technology , Changsha , 410073; 2.College of Mechanical Science and Engineering ,Huazhong University of Science and Technology ,Wuhang ,422829 Abstract :Proposed a method for space-exploring robots innovation design based on the mechanism combination, and the evaluation and optimum model

3、of lunar exploration robot is constructed. A mobility evaluation and optimum software platform of lunar exploration robot based on ADAMS12.0 and Matlab6.5 is also developed. The software platform supports scheme creation, scheme composition and scheme optimum of mechanical and control system of luna

4、r exploration. Finally, a two-crank-slider suspension is proposed and optimized, the simulation result show that the design, theory and means presented in this paper is effective. Key words :space rover , locomotion mechanism ,virtual prototype, optimum design0 前言輪式空間探測機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計存在方案創(chuàng)新、方案優(yōu)化、方案評估與選擇的過程

5、。對于這樣一個復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的多層次綜合優(yōu)化問題,尚未形成系統(tǒng)化的設(shè)計理論與方法,缺乏有效的技術(shù)支持手段。近年來,虛擬樣機(jī)技術(shù)成為輪式空間探測機(jī)器人研究的重要技術(shù)手段。蔡則蘇1采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對HIT-1月球車進(jìn)行運動學(xué)建模;高海波2基于ADMAS 對行星輪式月球車的地面不平度函數(shù)進(jìn)行了研究。這些研究主要是針對某種機(jī)器人或局部技術(shù)進(jìn)行,分別建立虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真和分析。 由于缺乏科學(xué)客觀的評價理論與方法,容易導(dǎo)致分析結(jié)果不系統(tǒng)、不全面、不客觀,不利于輪式空間探測機(jī)器人設(shè)計方案的評估、選擇和優(yōu)化。收稿日期:國家自然科學(xué)基金重點資助項目(60234030。本文提出基于構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化方法,在開

6、展輪式空間探測機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)創(chuàng)新研究的同時,開展移動性能評價與優(yōu)化模型的研究,開發(fā)支持創(chuàng)新設(shè)計的輪式空間探測機(jī)器人虛擬樣機(jī)平臺,實現(xiàn)虛擬樣機(jī)技術(shù)在輪式空間探測機(jī)器人研究中的系統(tǒng)化、集成化應(yīng)用,對提高輪式空間探測機(jī)器人綜合性能、規(guī)避風(fēng)險具有重要意義。1 基于構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計1.1基本思想按照模塊化設(shè)計思想,輪式空間探測機(jī)器人R i ,一般可視為由輪系、懸架、車體三類子構(gòu)型通過運動學(xué)和動力學(xué)約束聯(lián)系,組成多體系統(tǒng),分別記為:a 輪系子構(gòu)型集合L 12W=w ,w ,.,w b 懸掛子構(gòu)型集合M 12S=s ,s ,.,s c 車體子構(gòu)型集合N 12B=b ,b ,.,b 式中,L ,M ,N 分別為

7、可供組合的輪系子構(gòu)型、懸架子構(gòu)型和車體子構(gòu)型的數(shù)量,稱之為選擇度DOC (Degree of Choice。進(jìn)一步假設(shè)各子構(gòu)型之間的連接方式均為固聯(lián),則對任意輪式空間探測機(jī)器人R i ,其設(shè)計均由子構(gòu)型的組合得到,記其構(gòu)型為:i i i i i i i R =(W ,B ,S W W; B B; S S 因此,可得到輪式空間探測移動機(jī)器人設(shè)計方案的解空間 12,.,K R R R R =。根據(jù)上述分析,輪式空間探測機(jī)器人的創(chuàng)新方案設(shè)計可分解為兩個基本問題:子構(gòu)型創(chuàng)新與提取。子構(gòu)型數(shù)量越多,即L 、M 、N 越大,輪式空間探測機(jī)器人的方案越多。子構(gòu)型組合創(chuàng)新。通過對子構(gòu)型進(jìn)行組合,創(chuàng)新設(shè)計所需要

8、的機(jī)器人。 1.2 構(gòu)型創(chuàng)新與提取綜合國內(nèi)外研究,輪系運動機(jī)構(gòu)的主要構(gòu)型有普通輪系和行星輪系3,如圖1所示。圖2為作者創(chuàng)新提出的兩種新型輪系。圖2a 為履帶輪系,當(dāng)履帶輪遇到障礙時,由于輪軸中心高于受阻點,整個履帶輪翻轉(zhuǎn),從而克服障礙。圖2b 為內(nèi)行星輪系,當(dāng)大輪受阻后,小輪沿大輪內(nèi)壁攀升,當(dāng)輪軸中心高于障礙,大輪便可越過障礙。 (a 普通輪系(b外行星輪系 1 輪系的主要構(gòu)型 (a 履帶輪系 (b內(nèi)行星輪系 圖2 創(chuàng)新輪系懸架系統(tǒng)以搖臂式懸架為主,包括四輪搖臂、六輪搖臂4和八輪搖臂,如圖3所示。 (a 四輪搖臂 (b六輪搖臂 (c八輪搖臂圖3 搖臂式懸架圖4a 為雙曲柄滑塊聯(lián)動懸架5,其特點

9、是通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將輪胎豎直方向的位移轉(zhuǎn)化為滑塊水平方向的位移,因而具有較好的平順性。圖4b 為四桿懸架,其特點是通過采用平面四桿機(jī)構(gòu)將主搖臂和副搖臂的瞬時轉(zhuǎn)動中心下移,從而增強(qiáng)越障能力。 (a 雙曲柄滑塊聯(lián)動懸架 (b 四桿懸架圖4 創(chuàng)新懸架車體子構(gòu)型有剛性車體、彈性車體、差速車體和節(jié)式車體等類型。剛性軸 扭簧 差速齒輪(a剛性聯(lián)接 (b彈性聯(lián)接 (c差速聯(lián)接圖5 整體式車體與懸架系統(tǒng)的聯(lián)接方式剛性車體如圖5a 所示,與車架固定后,車體與左右車架不能相對運動,自由度為0。彈性車體如圖5b 所示,它采用扭桿彈簧,扭桿彈簧中間部位車體固定,兩端可相對車體轉(zhuǎn)動,左右車架克服扭桿彈簧可相對車體相對運

10、動。差速車體采用差速輪系與左右車體固定,左右車架可相對車體作反向運動,如圖5c 所示?？v向節(jié)式車體,如圖6a 所示,與車架固定后,兩節(jié)可相對自由轉(zhuǎn)動,具有一個自由度。橫向節(jié)式車體,如圖6b 所示,前后兩節(jié)可相對正交的兩根軸轉(zhuǎn)動,具有兩個自由度。(a縱向節(jié)式 (b橫向節(jié)式圖6 節(jié)式車體分類1.3 子構(gòu)型組合創(chuàng)新基于構(gòu)型的輪式空間探測機(jī)器人設(shè)計存在兩種基本設(shè)計模式,即同構(gòu)組合設(shè)計和異構(gòu)組合設(shè)計。同構(gòu)組合設(shè)計指組成輪式空間探測機(jī)器人的三類子構(gòu)型集合的元素分別同構(gòu),同構(gòu)組合設(shè)計解R i 的選擇度:i DOC(R =DOC(WDOC(SDOC(B =L M N×××

11、5; (1由上述分析,若輪系的選擇度為L 、懸架的選擇度為M 、車體的選擇度為N ,通過同構(gòu)組合,理論上可得到L M N ××個解。 異構(gòu)組合設(shè)計指組成輪式空間探測機(jī)器人的三類子構(gòu)型集合的元素至少有一類異構(gòu),異構(gòu)組合設(shè)計解R i 的選擇度:i i (DOC(W DOC(S i l=222l m DOC(WDOC(SDOC(BDOC(R =C i DOC B m n n C C =××(2式中, DOC (W 、DOC (S 、DOC (B 分別表示車輪、懸架和車體的理論選擇度,DOC (W i 、DOC (S i 、DOC (Bi 分別表示機(jī)器人R i

12、的車輪數(shù)、懸架和車體的實際選擇度。實際上,輪式空間探測機(jī)器人的車體和懸架異構(gòu)的情況并不多見,因此,本文僅考慮輪系的異構(gòu),則有:i i DOC(W i l=2DOC(W l=2l DOC(Wl DOC(WDOC(R =DOC(SDOC(B=M NC C ××××(32 移動性評價模型通過構(gòu)型創(chuàng)新與組合,將形成眾多輪式空間探測機(jī)器人方案,必須對各方案進(jìn)行評價與優(yōu)化,滿足性能需求。輪式空間探測機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計將受到質(zhì)量約束、體積約束和能耗約束,為了便于分析比較,對輪式空間探測機(jī)器人設(shè)計方案的解空間所有方案作如下一致性假設(shè):負(fù)載與自重相同; 總體尺寸相同; 總功

13、率相同;最高行駛速度相同; 行駛路徑相同?；谏鲜鲆恢滦约僭O(shè)條件,可以利用移動性評價數(shù)學(xué)模型對輪式空間探測機(jī)器人的移動性能指標(biāo)進(jìn)行分析和評價。 2.1 穩(wěn)定性傾翻將直接造成輪式空間探測機(jī)器人損壞,最終使探測任務(wù)失敗,因此在設(shè)計時必須考慮避免此情況的發(fā)生。穩(wěn)定性主要指輪式空間探測機(jī)器人抵抗傾翻的能力。記輪胎與地面的接觸點為r i (i=1,n ,并且其中的m 個點r 1-r 2-r 3-r n -r 1形成一個凸多邊形,水平投影如圖7所示。凸多邊形相鄰點的連線為車體的翻轉(zhuǎn)軸,如圖7中r 1r 2、r 2r 3和r n r 1等?？狗€(wěn)定性可表示為:S =Min(T 1,T 2,T i ,T n-

14、1,T n (4式中,T i 為輪式空間探測機(jī)器人重力對翻轉(zhuǎn)軸i 的轉(zhuǎn)矩, Min 為取最小值。圖7 抗翻穩(wěn)定性的翻轉(zhuǎn)軸重力對翻轉(zhuǎn)軸施加的抗翻轉(zhuǎn)矩越大,則越難沿該翻轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn),輪式空間探測機(jī)器人翻倒的臨界值是抗翻轉(zhuǎn)矩等于0。因此,輪式空間探測機(jī)器人保持穩(wěn)定,不發(fā)生傾翻的條件為S >0。2.2 行駛平順性6自主駕駛控制和儀器安全的需要,要求輪式空間探測機(jī)器人行駛平順,車體中心高度h 、俯仰角和翻滾角的變化小且頻率低。車體中心點的高度Y(t是一個隨機(jī)過程,記作式5:12(,(,(,1,2,.,;n Y t y t y t y t n = (5式(5中y (t i 為隨機(jī)變量,表示車體中心在t

15、i 時刻的中心點高度。則高度Y(t變化的離散程度可用二階中心矩來評價,記作式6:22(y y t E y t t = (6式中y (t為Y(t的均值。同理,車體俯仰角和翻滾角的離散程度亦可采用二階中心矩進(jìn)行評價,分別記作22(t t 和。 2.3 越障性能輪式空間探測機(jī)器人越障性能包括兩個方面,一方面指輪式空間探測機(jī)器人所能越過的垂直障礙,可采用垂直障礙的高度h 來評價,h 越大,其越障性能越好;另一方面,指其地面幾何通過性,即輪式空間探測機(jī)器人的輪廓不與障礙發(fā)生碰撞,包括:突出部位碰到障礙,使其卡住而不能通過;底部碰到凸起障礙,使其懸起而失去通過性。 2.4 牽引控制特性輪式空間探測機(jī)器人牽

16、引控制特性主要取決于輪胎與地面的相互作用,其一是輪胎與地面的接觸力;其二是輪胎的滑移率。隨著地形的起伏,車輪與地面的接觸力發(fā)生變化。為獲取最大的地面附著力和牽引力,并避免單輪過載陷入地面,要求接觸力變化不能太大。各輪與地面的接觸力相等時,可獲取最佳的牽引控制特性。輪式空間探測機(jī)器人的任一輪胎與地面接觸力的為隨機(jī)過程,任意時刻的接觸力為隨機(jī)變量f i (t,其變化的大小可采用二階中心矩來評價。牽引控制特性評價公式為:(7式中 ,f 2(t 分別為 f i (t的均值和二階中心矩,E 求均值。2.5 能耗特性在輪胎與地面相互作用下,輪式空間探測機(jī)器人沿運動軌跡移動,運動姿態(tài)不斷改變,兩者是能耗的主

17、要來源。輪式空間探測機(jī)器人沿運動軌跡移動的質(zhì)量可以采用滑移率來評價。100%ii v r S v =× (8式中S i 、r i 分別為輪胎i 的滑移率、角速度和半徑,v 為月球車移動速度滑移率越小,驅(qū)動電機(jī)所做功轉(zhuǎn)化為輪式空間探測機(jī)器人運動的效率越高,其能耗特性越好。 3虛擬樣機(jī)創(chuàng)新設(shè)計優(yōu)化平臺3.1虛擬樣機(jī)設(shè)計優(yōu)化平臺基于虛擬樣機(jī)的輪式空間探測機(jī)器人移動性能評價與綜合分析平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。包括參數(shù)化虛擬樣機(jī)子構(gòu)型庫、移動機(jī)構(gòu)的機(jī)電控制模塊、移動性能評價與分析模塊等三大部分。的三角網(wǎng)格組成,設(shè)置有斜坡、障礙等非結(jié)構(gòu)化形體,對輪式空間探測機(jī)器人的移動性能進(jìn)行全面測采用ADAM

18、S/Tire 模塊建立地面與輪式空間探測機(jī)器人輪胎相互作用模型,并設(shè)置輪胎與地面作用的圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) i f 221(m f i i i t E f t f =靜摩擦、動摩擦、彈性模量、滑移率等接觸力參數(shù)。輪式空間探測機(jī)器人移動性能的虛擬樣機(jī)評價模型包括穩(wěn)定性、行駛平順性、牽引控制特性、能耗特性等模型。(1穩(wěn)定性采用抗傾翻轉(zhuǎn)矩(式4評價。(2行駛平順性則包括車體中心高度、俯仰角和翻滾角的一階和二階中心矩六組曲線。(3牽引控制特性、能耗特性均采用滑移率(式8的一階和二階中心矩兩組曲線。采用平臺進(jìn)行輪式空間探測機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計存在創(chuàng)新循環(huán)、組合循環(huán)和優(yōu)化循環(huán)三種模式。創(chuàng)新循環(huán)首先是進(jìn)行方案的創(chuàng)新設(shè)

19、計,得到新的子構(gòu)型并將其添加到輪式空間探測機(jī)器人虛擬樣機(jī)子模塊庫,然后進(jìn)入組裝循環(huán)。組合循環(huán)則從虛擬樣機(jī)設(shè)計子模塊庫中選擇和組裝子模塊產(chǎn)生輪式空間探測機(jī)器人方案。當(dāng)輪式空間探測機(jī)器人方案確定后,進(jìn)行優(yōu)化循環(huán)。核心是移動性能評價,包括幾何通過性、抗翻穩(wěn)定性、行駛平順性、能耗特性、越障性能等指標(biāo)的評價分析。具體包括兩個方面,其一是機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)化,目標(biāo)是獲取最佳的性能參數(shù);其二是控制算法的優(yōu)化,獲取輪式空間探測機(jī)器人最佳控制特性。通過二種優(yōu)化得到機(jī)器人優(yōu)化的參數(shù)和性能指標(biāo),作為方案選擇的依據(jù)。當(dāng)方案的性能指標(biāo)不能滿足要求,則替換子模塊得到新的方案,進(jìn)入優(yōu)化循環(huán)。通過構(gòu)型創(chuàng)新、構(gòu)型組合和方案優(yōu)化三個層

20、次評價與優(yōu)化,可以得到較佳的設(shè)計方案與設(shè)計參數(shù)。3應(yīng)用實例在虛擬樣機(jī)設(shè)計平臺中,分別選擇普通輪系(圖1a、雙曲柄懸架(圖4a和差速車體(圖5c,通過構(gòu)型組合可得到雙曲柄滑塊輪式空間探測機(jī)器人的參數(shù)化模型,如圖9所示,其初始設(shè)計參數(shù)見表1。經(jīng)單設(shè)計變量優(yōu)化和多變量聯(lián)合優(yōu)化,得到相對較優(yōu)的一組參數(shù),見表1。優(yōu)化后的雙曲柄滑輪式空間探測機(jī)器人如圖10。如圖11所示,當(dāng)雙曲柄滑輪式空間探測機(jī)器人通過220mm高的障礙物時,車體質(zhì)心起伏是65.94mm,車體俯仰角變化范圍是30.09°。前、中、后輪的地面接觸力的平均值分別為78.82N、87.92N、89.68N,前、中、后輪地面接觸力的最小

21、均方值(LMS值分別為94.72N、97.49N、 104.42N,如圖12所示。圖9 參數(shù)化模型表1 整車參數(shù)序號 參 數(shù) 初始值 優(yōu)化值1 中輪和后輪的距離DV_1( 370 mm 430 mm2 曲柄和主搖臂的鉸接點與連桿和滑塊的鉸接點之間的距離DV_2160 mm180 mm3 主搖臂的高度DV_3 220 mm250 mm4 曲柄與連桿的鉸接點在連桿上的位置DV_50.4 0.335 車體相對于后輪的水平距離DV_6260 mm300 mm 圖10 優(yōu)化后的輪式空間探測機(jī)器人 (a車體質(zhì)心起伏變化曲線車體左雙曲柄懸架輪系右雙曲柄懸架時間t/s質(zhì)心高度h/mm40123595尚建忠，羅

22、自榮，張新訪. 兩種輪式月球車懸架方案及其 10 角度 a/(º 1.5 -7.0 虛擬樣機(jī)仿真J.中國機(jī)械工程，2006，17(1：49-52 注:原參考文獻(xiàn) 3 已經(jīng)刪！ 作者簡介： 尚建忠，男，1966 出生。國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動化 學(xué)院教授，博士。主要研究方向為機(jī)器人學(xué)、數(shù)字化設(shè)計技 4 時間 t/s 圖 11 6 8 術(shù)。發(fā)表論文 50 余篇。羅自榮，男， 1974 出生。國防科 技大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院講師、博士研究生。張新訪， 男，1965 出生。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授， 博士生導(dǎo)師。范大鵬，男，1964 出生。國防科技大學(xué)機(jī)電 1 2 3 工程與自動化學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。 尚建忠， 主要研究成果： 球形齒輪傳動與柔性手腕研究， 1996 年度國防科工委科技進(jìn)步一等獎；漸開線環(huán)形齒