兩種輪式月球車懸架方案及其虛擬樣機(jī)仿真_圖文

1、兩種輪式月球車懸架方案及其虛擬樣機(jī)仿真尚建忠1,2羅自榮2張新訪11.華中科技大學(xué),武漢,4300742.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),長(zhǎng)沙,410073摘要:提出了三搖臂懸架和雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)扭桿懸架兩種新型月球車懸架系統(tǒng);建立了月球車移動(dòng)性能評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型;采用虛擬樣機(jī)技術(shù),從地面自適應(yīng)、行駛平順性、越障性能三個(gè)方面對(duì)月球車的移動(dòng)性能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。仿真結(jié)果表明,雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架月球車具有很好的移動(dòng)性能。關(guān)鍵詞:月球車,移動(dòng)性,虛擬樣機(jī),ADAMS 中圖分類號(hào):TP24文章編號(hào):1004-132X (200601-0049-04Tw o Kinds of Wheeled Lunar R over Su

2、spension Scheme &Their Virtual Prototype SimulationShang Jiangzhong 1,2L uo Ziro ng 2Zhang Xingfan 11.Huazhong University of Science and Engineering ,Wuhan ,4300742.National University of Defense Technology ,Changsha ,410073Abstract :Two new suspension systems named Three -Rocker suspension and

3、Two -Crank -Sli 2der Rocker suspensio n were proposed respectively.Virt ual Prototype was used to evaluate t heir self -adaptive contact ,running smoot hness and over -obstacle ability.Simulation result s show t hat Two -Cam -Rocker suspension based lunar rover owns better mobility.K ey w ords :luna

4、r rover ;mobility ;virt ual p rototype ;ADAMS 收稿日期:2004-12-06基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(6023460300引言移動(dòng)性能是輪式月球車最基本的性能。月球探測(cè)對(duì)月球車的移動(dòng)性能需求主要體現(xiàn)在地面自適應(yīng)性、行駛平順性、越障性、連續(xù)工作時(shí)間、自主行駛功能等方面。月球車移動(dòng)性能主要取決于懸架和輪系,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種懸架結(jié)構(gòu),這些懸架系統(tǒng)各有特點(diǎn)。日本宇航中心、梅基大學(xué)等單位聯(lián)合研制的Micro5采用的是一種5點(diǎn)接觸懸吊結(jié)構(gòu)1;鄧宗全等2提出的行星越障輪式月球車越障功能很強(qiáng),但這種結(jié)構(gòu)在跨越較大障礙時(shí)對(duì)行駛平順性的影響較大;劉方

5、湖等3設(shè)計(jì)的五輪鉸接式月球機(jī)器人具有與美國(guó)節(jié)式空間探測(cè)機(jī)器人BlueRover 相同的特點(diǎn),地面自適應(yīng)能力很好,但行駛平順性與抗翻穩(wěn)定性有待改善;美國(guó)Rocky 系列探測(cè)機(jī)器人所采用的rocker -bogie 懸架是一綜合性能較好的結(jié)構(gòu)4,5,清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的月球車原理樣車均有采用這種結(jié)構(gòu)。本文提出了兩種新型月球車懸架系統(tǒng),對(duì)基于虛擬樣機(jī)的移動(dòng)性能評(píng)價(jià)理論與方法進(jìn)行了初步探討,在ADMAS 環(huán)境下對(duì)兩種新型月球車懸架系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。1兩種新型輪式月球車懸架1.1六輪三搖臂懸架如圖1所示,六輪三搖臂懸架由車體、尾搖臂和兩個(gè)側(cè)搖臂組成。尾搖臂和兩個(gè)側(cè)搖臂均可相

6、對(duì)車體獨(dú)立擺動(dòng),調(diào)整六輪對(duì)地面的相對(duì)高度,實(shí)現(xiàn)6個(gè)車輪對(duì)地面的自適應(yīng)。六輪三搖臂懸架月球車采用六輪驅(qū)動(dòng),4個(gè)角輪為轉(zhuǎn)向輪,因此,整車自由度數(shù)為2×4(側(cè)搖臂+5(尾搖臂+6(車體=19。圖1六輪三搖臂懸架六輪三搖臂懸架結(jié)合了節(jié)式懸架(尾搖臂和搖臂懸架(側(cè)搖臂的特點(diǎn),既具有節(jié)式空間探測(cè)機(jī)器人BlueRover 的地面自適應(yīng)能力,又顯著改善了其抗翻穩(wěn)定性。與經(jīng)典的Rocky 系列機(jī)器人所采用的搖臂-轉(zhuǎn)向架懸架相比,六輪三搖臂懸架結(jié)構(gòu)的車體具有自穩(wěn)定性,無(wú)需采用扭桿彈簧或差速齒輪保持車體平衡,結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。94如圖2所示,雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架由左車架、右車架、扭桿彈簧、車體四部分組成。左右車架

7、采用花鍵與扭桿懸吊的兩端固定,車體與扭桿懸吊的中間處固定,在端部則可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。如此,車架可相對(duì)于車體做微量轉(zhuǎn)動(dòng),以防止機(jī)器人加減速時(shí)因慣性沖擊引發(fā)車體擺動(dòng)。 圖2雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)扭桿懸架 左右車架采用雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)。雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括對(duì)稱的兩組曲柄滑塊機(jī)構(gòu),兩者之間通過(guò)兩根連桿實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),曲柄支座與滑塊、滑塊與滑塊之間均采用彈簧連接,以達(dá)到減振與保證車架行駛平順性的目標(biāo)。雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架月球車采用六輪驅(qū)動(dòng),其中4個(gè)角輪為轉(zhuǎn)向輪,整車有22個(gè)自由度。雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架機(jī)器人前輪越障時(shí),曲柄1后擺,滑塊1右移,前輪上升,中間輪下降,如圖3a 所示。中間輪越障時(shí),兩個(gè)滑塊相對(duì)滑動(dòng),前輪和后輪下

8、降,中間輪提升,如圖3b 所示。后 (a 前輪越障 (b 后輪越障圖3雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)扭桿懸架越障原理輪越障時(shí),曲柄2前擺,滑塊2左移,中間輪下降,后輪上升。2虛擬樣機(jī)評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型及步驟2.1數(shù)學(xué)模型為保證評(píng)價(jià)模型的客觀性和科學(xué)性,對(duì)任意空間探測(cè)任務(wù)的空間探測(cè)機(jī)器人解空間的所有方案作如下一致性約束:負(fù)載與自重相同;總體尺寸相同;總功率相同;最高行駛速度相同;行駛路徑相同。據(jù)此,可建立空間探測(cè)機(jī)器人移動(dòng)性能評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型。(1自適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型移動(dòng)過(guò)程中的空間探測(cè)機(jī)器人,隨著地形的起伏,車輪的相對(duì)位置發(fā)生變化,與之相對(duì)地表現(xiàn)為車輪與地面接觸力F c 的變化,該變化形成一條隨機(jī)曲線F c (t (圖4

9、a ,對(duì)其作如下處理:F m (t =F c (t -F pF p(1式中,F p 為平地環(huán)境下車輪與地面接觸力。則可得到單個(gè)車輪的自適應(yīng)評(píng)價(jià)曲線F m (t (圖4b 。(a 接觸力曲線(b 自適應(yīng)性評(píng)價(jià)曲線圖4單個(gè)車輪的評(píng)價(jià)曲線(2行駛平順性模型機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中,車體中心點(diǎn)的高度Y (t 也是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程,記作:Y (t =(y (t 1,y (t 2,y (t n ,n =1,2,則高度Y (t 變化的離散程度可用二階中心矩評(píng)價(jià):2Y (t =EY (t -Y (t 2(2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其二階中心矩進(jìn)行評(píng)價(jià),并分別記作2(t

10、 和2(t 。另外,車體中心高度、俯仰角和翻滾角變化的一階中心矩曲線也是空間探測(cè)機(jī)器人行駛平順性評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。(3越障性能模型基于一致性約束,質(zhì)量與功率參數(shù)一定,則越障性能的高低可簡(jiǎn)化為直接采用機(jī)器人所能越過(guò)的垂直障礙的高度h 來(lái)評(píng)價(jià)。h 越大,其越障性能越好。052.2虛擬樣機(jī)分析及評(píng)價(jià)步驟(1虛擬樣機(jī)建模月球車移動(dòng)性能的虛擬樣機(jī)模型包括虛擬地面環(huán)境模型、月球車虛擬樣機(jī)模型、地面與機(jī)器人輪胎相互作用模型、月球車轉(zhuǎn)向駕駛模型四部分組成。虛擬地面環(huán)境模型由一組模擬真實(shí)地面環(huán)境的三角網(wǎng)格組成,根據(jù)已有月球地形知識(shí),設(shè)置有25°斜坡、1520cm高的障礙以及直徑約為0.5m 的火山口等非

11、結(jié)構(gòu)化形體。月球車虛擬樣機(jī)模型包括車體、懸架、輪系等子模型,每一模型均由構(gòu)件、約束和力三部分組成。采用ADAMS/Tire模塊建立地面與機(jī)器人輪胎相互作用模型,并設(shè)置輪胎與地面作用的靜摩擦、動(dòng)摩擦、彈性模量、滑動(dòng)系數(shù)等接觸力參數(shù),部分參數(shù)設(shè)置如表1所示。月球車轉(zhuǎn)向駕駛模型通過(guò)控制4個(gè)角輪的轉(zhuǎn)向、各輪系的行駛線速度等方法約束月球車的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)行軌跡。表1地面與機(jī)器人輪胎相互作用參數(shù)沖擊力參數(shù)摩擦力參數(shù) (2運(yùn)行虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析(3 依據(jù)數(shù)學(xué)模型建立虛擬樣機(jī)評(píng)價(jià)曲線利用ADMAS/Po st Processor模塊繪制輸出探測(cè)機(jī)器人的自適應(yīng)評(píng)價(jià)曲線、行駛平順性評(píng)價(jià)曲線和越障性能評(píng)價(jià)曲線

12、。主要包括車輪與地面接觸力的一階和二階中心矩兩組曲線車體中心高度、俯仰角和翻滾角的一階和二階中心矩6組曲線,越障性能表現(xiàn)為最大越障高度。(4試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究利用ADMAS試驗(yàn)設(shè)計(jì)功能,對(duì)月球車虛擬樣機(jī)模型的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化,得到優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。3仿真結(jié)果經(jīng)基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)器人移動(dòng)性分析及評(píng)價(jià),認(rèn)為圖2所示的雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架為相對(duì)較優(yōu)的方案,其部分移動(dòng)性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖5圖7所示。可以看出,在行駛過(guò)程中,雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架的車輪隨地面顛簸很大,而車體卻很平順,如圖5所示。除少數(shù)因車輪與地面沖擊接觸力發(fā)生突變外,接觸力變化也很小,如圖6所示。在越110mm高的礙障時(shí)(圖7,車體高度變化也小于12.5m

13、m(圖5,車體的高度曲線相當(dāng)平滑。仿真結(jié)果表明,雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)懸架對(duì)地面高度的變化具有相當(dāng)好平滑作用,車體行駛車體具有良好的平順性和地面自適應(yīng)能力。圖5車體平順性圖6車輪與地面接觸力圖7越障性能評(píng)價(jià)4結(jié)論本文以輪式月球車為研究對(duì)象,提出了三搖臂月球車懸架和雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)扭桿懸架兩種新型月球車懸架系統(tǒng),采用虛擬樣機(jī)技術(shù)從地面自適應(yīng)性、行駛平順性、越障性等方面對(duì)其移動(dòng)性能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。仿真結(jié)果表明,雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架具有很好的移動(dòng)性能。參考文獻(xiàn):1Y oji Kuroda,K oji K ondo,Kazuaki Nakamura,etal.Low Power Mobility System f

14、or Micro Planeta2ry RoverMicro5.Fifth International Symposiumon Artificial Intelligence,Robotics and Automation15in Space,Noordwijk,Netherlands,1999計(jì).哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(3,203213 3劉方湖,馬培蓀,曹志奎,五輪鉸接式月球機(jī)人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模.機(jī)器人.2001,23(6:4814924Bickler D.A New Family of J PL Planetary SurfaceVehicles.Mission,Technolo

15、gies,and Design ofPlanetary Mobile Vehicles.Toulouse:Cepadues-Editions,1992journer.html,1996(編輯郭偉作者簡(jiǎn)介:尚建忠,男,1966年生。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生,國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人學(xué)、數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)。羅自榮,男, 1974年生。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院講師。張新訪,男,1965年生。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。基于圖的注塑產(chǎn)品側(cè)凹特征識(shí)別技術(shù)的研究邵健呂震柯映林浙江大學(xué),杭州,310027摘要:提出一種基

16、于圖的注塑產(chǎn)品側(cè)凹特征識(shí)別方法:首先將產(chǎn)品屬性面鄰接圖中的節(jié)點(diǎn)和邊進(jìn)行屬性擴(kuò)展,以形成產(chǎn)品的擴(kuò)展屬性面鄰接圖;在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用擴(kuò)展屬性面鄰接圖對(duì)凹、凸及通孔三種類型的側(cè)凹特征進(jìn)行描述,并采用子圖匹配的方式將側(cè)凹特征的子圖從產(chǎn)品屬性面鄰接圖中識(shí)別出來(lái);對(duì)于識(shí)別出的側(cè)凹特征,特征方向可采用可視圖的方法確定,并通過(guò)分析識(shí)別出的側(cè)凹特征的特征方向來(lái)最終確定產(chǎn)品的優(yōu)化脫模方向。實(shí)例測(cè)試表明,該側(cè)凹特征識(shí)別方法可以有效地識(shí)別注塑產(chǎn)品中的側(cè)凹特征,提高側(cè)凹特征的識(shí)別效率。關(guān)鍵詞:注塑產(chǎn)品;側(cè)凹特征;特征識(shí)別;脫模方向中圖分類號(hào):TP391.72文章編號(hào):1004-132X(200601-0052-04R e

17、search on G raph-based R ecognition of U ndercut Features from Molded PartShao Jian L u Zhen Ke Y inglinZhejiang University,Hangzhou,310027Abstract:A new grap h-based recognition met hod of undercut feat ures from molded part was pro2 posed.Att ributes of node and edge in Face Adjacency Attribute Gr

18、ap h(FAA Gwere extended to form Extended Face Adjacency Att ribute Grap h(EFAA G.Based o n t hese t heories,concave,convex and t hrough undercut feat ures were defined accordingly and sub-grap hs of t he undercut feat ures were recognized from EFAA G of t he molded part by grap h matching.Feat ure orientation of each recognized undercut feat ures was determined by visibility map and optimized parting direction was cho sen from t hese feat ure orientations.The case st udy shows t hat t h