关节履带式核应急机器人攀爬台阶稳定性分析*

周 龙，邹树梁，张 德

(1.南华大学机械工程学院，湖南 衡阳 421001；2.核设施应急安全技术与装备湖南省重点实验室，湖南 衡阳 421001)

0 引言

在核环境非结构化地形进行应急处理，核应急机器人的应用极为重要。而非结构化地形一般指包含坡面、沟壑等起伏不平、复杂且不规则的地形(如：福岛核事故由海啸、地震等原因导致结构化环境转变为非结构化环境)，因此，对机器人适用性、通过性要求很高。考虑到核环境的复杂性，为高效、及时的提供参考信息[1]，核应急机器人的行走系统必须具备良好的抗辐射性能、稳定性及强越障能力。而对机器人的行走系统而言，其强越障性、稳定性以及良好的机动性是决定其行走系统的关键性能指标。考虑到地形的因素，核应急机器人多采用履带式移动机构[2]，且履带式机器人无论是从速度、越障能力、机构复杂程度或是能量消耗、控制难度等方面都有一定的优势[3-4]。

履带式机器人越障稳定性一般受机器人结构设计、环境条件等多方面的影响[5-6]，其结构参数也对机器人跨越非结构化地形的能力有较大影响。为进一步提高机器人的越障性能，国内外的专家学者越障性能分析、倾翻稳定性分析等方面进行了相关的研究[7-9]。当前，已有不少专家对摆臂机器人的运动特性、稳定性、强越障性进行了相关研究。但大多数只是其结构的静力学分析，其强越障性、稳定性、倾覆性能的分析和越障动作规划等方面仍存在不足。故分析机器人在涉及台阶、台阶等典型地形的越障机制，确定越障性能最佳时机器人质心运动轨迹、摆臂的空间位姿，规范其动作的行为性极其重要。

本文结合核环境下非结构化地形的关键特征，建立一种关节履带式核应急机器人模型，通过理论分析研究机器人在非结构化地形环境的越障能力，调整机器人相关参数提升其稳定性，并利用多体动力学软件RecurDyn进行仿真验证。

1 关节履带式核应急机器人结构设计

结合核环境应急要求，履带式机器人需满足体型小、重量轻、稳定性强以及空间运动可达性高等要求。而履带式机器人一般采用三种形式，即双履带式、四履带式、六履带式。其中，双履带式结构简单但稳定性差；六履带式结构稳定性强但结构复杂不易控制，且成本高；故采用四履带式(关节履带式)结构，既可保证其稳定性且结构紧凑。

图1 关节履带式核应急机器人三维模型

机器人两摆臂置于机器人主体前端，当需要跨越障碍物或攀越台阶时由两台电机分别进行控制，用以改变机器人的运动姿态，辅助机器人完成越障功能。机器人主体后部装有两台驱动电机分别用以控制机器人两侧驱动轮完成前行、倒车、转弯等空间运动。机器人主体平台后部安装控制系统、蓄电池等，主体前部安装通信系统，监测系统安装在机器人主体外部，用以收集外部环境信息便于控制机器人运行。

表1 关节履带式核应急机器人参数

2 机器人越障能力分析

2.1 质心轨迹分析

建立机器人空间坐标系xO1y(如图2所示)，假定主履带轮心O1、O2的间距为l0，质量为m1，质心G1坐标为(l1，h1)；两摆臂的质量为m2，O2、O3为摆臂后轮和前轮的轮心，其质心为G2，且G2O2的长度为l2，O2O3之间的距离为l3，摆臂摆角为θ且θ[0，2π]，主履带轮半径为r1，摆臂前履带轮半径为r2(r1、r2包含履带的厚度)，机器人宽度为b，则机器人的质心G(xG，yG)的坐标为：

图2 关节履带式核应急机器人质心轨迹

(1)

关节履带式核应急机器人的质心满足以下关系：

(2)

式中：m1为主履带以及箱体部分质量；l1为主履带以及箱体部分质心横坐标值；m2为机器人摆臂部分质量；l2为摆臂质心到其轮心的距离；θ为机器人摆臂摆角；h1为主履带以及箱体部分质心纵坐标值。

结合摆臂运动(摆角θ的变化)的影响，质心轨迹是圆心O坐标为

2.2 攀越台阶

攀越台阶是判断机器人越障性能的重要指标[10]。其攀越台阶过程如图3所示。

图3 机器人攀爬台阶过程图

当机器人质心轨迹的切线与台阶的外角线的垂线共线且质心为切点，此时机器人攀爬台阶最为适宜。当O2O3处于水平方向时，机器人越障高度为极限高度，机器人摆臂摆角θ与机器人仰角α满足：α+θ=2π。

将l1=xG，h1=yG代入

H(l1，h1，α)=r1+(l1-h1tanα)sinα-r1/cosα，

即

H(θ，α)=r1+xGsinα+yGcosα-(yG+r1)/cosα，故机器人攀爬的极限高度为Hmax(θ，α)。

式中：α为机器人仰角；θ为机器人摆臂摆角；xG为机器人质心横坐标值；yG为机器人质心纵坐标值；r1为主履带轮半径；h1为主履带以及箱体部分质心纵坐标值。

图4 机器人攀越台阶时质心轨迹

3 机器人越障仿真分析

为验证关节履带式核应急机器人样机攀爬台阶的能力，在RecurDyn的LM模块中建立虚拟样机模型，进行样机试验。

机器人在运行过程中受到外力与内力的影响，尤其是底盘系统中各部件之间的摩擦力。综合考虑，参阅相关文献资料，选取各部件的摩擦系数为0.05。以常规核用场所的路况为模板，设置仿真路面环境。履带板与路面接触参数如表2所示。

图5 机器人攀爬台阶过程图

表2 履带板与路面接触参数

图6 攀爬过程中速度变化图

攀爬过程中，机器人从5.06 s开始速度呈现周期性变化趋势。结合图7可知，机器人受横向运动干涉较少，而此时机器人底盘完全脱离地面，故可能是由于运动过程中伴随着一定程度的打滑现象对机器人的运行速度产生了影响，应使用较为合适的履带以增强摩擦力或增加张紧装置预防打滑现象的产生。

图7 攀爬过程质心位移变化图

故为改善此种情况可选取花纹较深履带增大摩擦力，应用张紧装置既可避免机器人打滑现象的出现，也可有效的在非稳定的情况下对张力进行调节。一般来说，张紧装置置于首尾端，则悬挂压缩量大，履带张力较低；而为保证各种工况下履带能稳定运行，施加过高的预紧力，这样会大幅增加履带功率损耗，降低行驶系统的使用寿命。结合关节履带式核应急机器人的结构布局，故选取增加张紧轮用以调节张紧力，且需将张紧轮置于履带架中心位置，从而解决了履带张力过低的现象，也避免了施加过高的预紧力(注：台阶高度为200 mm，宽度为280 mm)。

分析机器人摆臂驱动轮驱动力矩变化可知，机器人摆臂在攀爬过程中受到过较大冲击，分别发生在机器人主履带接触台阶、主履带即将离开水平路面、机器人完全运行在台阶上。在机器人地盘与台阶边缘直接接触时，由于摆臂运动不同步从而导致机器人受到较大冲击，而在机器人实际运行过程中，摆臂分别由不同的驱动电机驱动控制，可进一步调整或者利用张紧装置以减少、避免此类冲击现象的产生。

机器人在攀爬过程中，质心在机器人调整摆臂过程中必然发生变化，又考虑到机器人质心轨迹半径rO=m2l2/(m1+m2)的圆，结合(2)式可知，当忽略刚性条件的影响时，可通过降低机器人摆臂重量占总体重量的比值或者摆臂质心的位置，降低机器人质心的变化范围，提高机器人的越障稳定性。

图8 两侧摆臂驱动轮驱动力矩

4 结论

1)提出了一种关节履带式核应急机器人的设计，并分析了该机器人在攀越台阶过程中质心轨迹变化，得出机器人攀越台阶的极限数据，并分析得出了提高稳定性的调整方法。

2)对机器人攀爬台阶的稳定性进行了理论分析，并通过仿真验证了机器人的稳定性，为研究核环境非结构化地形条件下机器人越障稳定性提供了参考。