高速-重载全地形车仿生悬架系统运动学分析.pdf

第22卷第1期2024年2月Vol.22 No.1Feb.2024中 国 工 程 机 械 学 报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY高速-重载全地形车仿生悬架系统运动学分析李占龙1，2，万世永1，张正1，任志曌1，高山铁2，刘志奇3（1.太原科技大学 车辆与交通工程学院，山西 太原 030024；2.贵州詹阳动力重工有限公司，贵州 贵阳 550006；3.太原科技大学 机械工程学院，山西 太原 030024）摘要:全球自然灾害形势复杂，极端灾害事件呈频发、高发、突发态势。某型高速-重载全地形车作业过程中会产生剧烈振动，传统减振方案存在诸多影响减振效能的潜在因素。从仿生学原理和生物力学机理入手，探究自然界犀牛、袋鼠的生物缓冲特性与全地形车速度快、承载重、冲击强等应用性能之间的内在联系，结合机械原理，研究一套结构紧凑、抗冲击能力强的仿生悬架系统，响应高速-重载全地形车在复杂地形下应急保障工作的需求。结合几何原理建立仿生悬架系统运动学数学模型，求得各输入、输出角位置参数数值算例，并对三维模型展开位置仿真分析，验证数值算例的正确性。在验证其仿真结果与理论计算结果相符的基础上，对相应角速度及角加速度随时间变化的运动轨迹进行运动学分析，验证该机构在运动过程中的平稳性，表明结构设计符合减小冲击和振荡的实际运行需求。运动学数学模型可为后续结构参数优化、确定减振单元性能、进一步实行控制和试验工作提供可靠的数据资料和理论支撑，有助于提高减振系统研究与设计的效率，缩短研发周期，降低研究成本，同时为其他减振系统研究提供有益参考。关键词:高速-重载；应急保障工作；仿生学；悬架系统；运动学分析中图分类号:TH 69 文献标志码:A 文章编号:1672-5581（2024）01-0013-06Kinematics analysis of bionic suspension system of high-speed and heavy-duty all terrain vehicleLI Zhanlong1，2，WAN Shiyong1，ZHANG Zheng1，REN Zhizhao1，GAO Shantie2，LIU Zhiqi3（1.School of Vehicle and Transportation Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China；2.Guizhou Jonyang Kinetics Co.，Ltd.，Guiyang 550006，Guizhou，China；3.School of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi，China）Abstract：The global natural disaster situation is complex，and extreme disaster events are frequent，recurring and unexpected.A high-speed and heavy-duty all terrain vehicle will produce severe vibration during operation，and there are many potential factors affecting the effectiveness of vibration reduction in traditional vibration reduction schemes.This paper starts with the principles of bionics and biomechanics，explores the internal relationship between the biological cushioning characteristics of rhinos and kangaroos in nature and the application performance of all terrain vehicles，such as high speed，heavy load and strong impact.Combining the mechanical principles，a set of bionic suspension system with compact structure and strong impact resistance is studied to respond to the needs of high-speed and heavy-duty all terrain vehicles for emergency support in complex terrain.The kinematics mathematical model of the bionic suspension system is established based on the geometric principle.The numerical examples of the input and output angle position parameters are obtained.The position simulation analysis of the three-dimensional model is carried 基金项目：国家自然科学基金项目资助（52272401）；山西省基础研究计划资助项目（202203021211185）；贵州省科技创新人才团队（黔科合平台人才-CXTD 2022 015）；忻州市科技计划项目-重点研发计划（20220107）作者简介：李占龙（1985），男，副教授，博士。E-mail：通信作者：高山铁（1974），男，高级研究员，硕士。E-mail：第22卷中 国 工 程 机 械 学 报out to verify the correctness of the numerical examples.On the basis of verifying that the simulation results are consistent with the theoretical calculation results，the kinematic analysis of the motion track of the corresponding angular velocity and angular acceleration varying with time is carried out，which verifies the stability of the mechanism in the motion process，and indicates that the structural design meets the actual operation requirements of reducing impact and oscillation.The kinematics mathematical model can provide reliable data and theoretical support for the following structural parameter optimization，determination of damping unit performance，further implementation of control and test work，help to improve the efficiency of the research and design of the damping system，shorten the research and development cycle，reduce the research cost，and also provide useful reference for the research of other damping systems.Key words：high-speed and heavy-duty；emergency support；bionics；suspension system；kinematic analysis 2022年，全球自然灾害形势复杂，极端灾害事件多。以中国为例，共发生38次区域性暴雨过程，28个省份626条河流发生超警戒以上洪水；大陆地区共发生5级以上地震27次，全年共造成直接经济损失224.5亿元；共发生森林草原火灾730起1。自然灾害总体呈现种类多、高频发、范围广、极端性显著等特征2，并伴随出现道路损毁、交通与通信阻断情况。现有应急救援装备由于行驶速度低、承载少、通过性差，难以满足快速运输要求，进而延误救援时机，不仅给个人和国家经济造成巨大损失，而且引发不良社会影响甚至威胁社会和谐安定。因此，探索减少灾害损失、挽救人民生命财产安全的途径，实施行之有效的应急救援成为当今世界的共同课题3。某型高速-重载全地形车由 2 组车辆铰接而成，陆上时速达50 km/h，具有接地比压低、作业机动性高、地形适应能力强等优势，是适用于应急救援、极地科考等领域的有效装备。在复杂的地理地形条件下，其作业过程中会产生剧烈振动，对工作效能、精密仪器的防护、驾乘人员的健康和精神状态产生不利影响4。为减缓甚至消除上述不良现象，现有解决方案多为改变缓冲元件安装布局，存在诸多影响减振效能的潜在因素。在现有结构设计理论的基础上，要进一步提高减振效果，降低振动带来的不利影响，须探索新的结构设计方法和思路。本文立足自然灾害事故所呈现特征的实情，设计一款应用于该型全地形车的仿生悬架系统，提供高效可靠、适应性强的抗冲击策略和车体防护机制，着力解决面向多灾种多工况应急保障工作需求的全地形车因剧烈振动引发的一系列问题。1 仿生悬架系统设计 通过自然选择的博弈，大自然总能找到克服危机并解决问题的办法，为人类发明创造先进结构提供仿生灵感。仿生学是师法自然获得的物质与精神成果的化成，犀牛和袋鼠自然选择后形成优异的抗冲击特性、能量缓冲能力、可再使用等特性，为本文悬架系统的设计带来生物灵感5，如图1所示。图1行走机构（含仿生悬架系统）整体Fig.1Overall drawing of traveling mechanism（including bionic suspension system）14第1期李占龙，等：高速-重载全地形车仿生悬架系统运动学分析1.1犀牛骨骼结构及肌肉特征分析犀牛科是世界第二重的陆栖动物群，但其仍能使 重 达 3 t 的 身 体，以 50 m/h 的 速 度 飞 奔6。Alexander等7通过影片分析，发现犀牛四肢具有不同寻常的功能和形状，更好地维持其巨大的体重。犀牛前肢主要支撑60%的体重8；后肢除支撑体重外，还肩负驱动身体的任务，且骨骼结构明显弯曲，如图1（a）所示9。此外，随体重的增长，骨骼强正向异速生长，股骨也被强化，以满足犀牛的奔驰能力和高速奔跑能力的实现。犀牛为支撑庞大身躯并推进躯体运动，后肢分布有丰富的肌肉群。其半腱肌（semitendinosus，ST）和半膜肌（semimembranous muscle，SM）保留相对较长的束状肌，体现在产生强劲动力和快速且远距离收缩间的权衡。另外，后肢拥有强大的阔筋膜张量（tensor of fascia lata，TFL），并在膝关节周围形成纤维带，提供超过体重67%的力量，主要肌肉功能及其力量提供汇总如图1（d）所示。1.2袋鼠结构特征与运动特性分析Alexander10经试验得出，袋鼠的弗劳德数Fr可达27.7，此时其身体将遭受最为猛烈的碰撞和冲击。但其独特的身体结构特征和运动特性，避免其因激烈活动导致生物结构失效或被破坏4。袋鼠的抗连续冲击机制是各关节（A、B、C、D）协同作用的结果，如图1（b）所示11。Hopwood等12通过生物解剖获得袋鼠后腿结构尺寸关系：大腿、小腿、柔性脚长度约分别占总长度的23、46和3l，这一尺寸关系为袋鼠运动提供保障。柔性脚具有弓形形状的空穴结构，使其脚掌像曲梁一样柔韧和坚实，能有效分散身体重力和跳跃时的地面冲击力，袋鼠后腿中肌肉、跟腱和韧带也具有优异的能量吸收特性13-14。袋鼠的运动过程中，第1阶段为压缩阶段，在这一阶段其后腿向前伸至最开状态，肌腱储存70的势能，柔性脚可减缓冲击和储存部分能量，进而具有能量再利用的特性；第2阶段为起跳阶段，在这一阶段其后腿向后伸至最开状态，以产生向上和向前的推力15。袋鼠的后肢各关节肌腱，吸收的弹性能量是其肌肉的10倍，且吸收的能量与冲击力成正比，即使冲击力增大，也不增加生物能与氧气消耗，多余能量将被跟腱耗散，同时有效保护内部器官不受损伤。1.3仿生悬架系统构型设计该型全地形车总重60 t，最高速度为50 km/h，特征高度为1 m，可得悬架系统Fr范围为019.7，这一 Fr值范围与犀牛重载冲击下 016.4较为接近，且小于袋鼠在高速冲击下027.7的范围。当其在河道、冰雪等非铺装路面恶劣地形下快速运转时，可谓是“飞奔的庞然大物”，因此，也对其提出较高的减振要求，与犀牛和袋鼠在自重下进化出相应骨骼强度、肌肉分布等生物特性所展现的吸能缓冲特性不谋而合。结合上述分析，研究犀牛、袋鼠的骨骼结构及运动特征与全地形车速度快、承载重、冲击强等应用性能之间的内在联系，对生物特性总结如下。（1）骨骼结构分析。在生物结构分析中发现，犀牛和袋鼠后肢骨骼明显屈曲，且呈现一定比例关系（大腿小腿脚掌=1 2 1.35），为生物快速运动提供保障；股骨在自然进化中被强化，在较大的杠杆臂用途下具有较大的应力。（2）肌肉特性分析。犀牛和袋鼠后肢尤其是股骨周围，附有丰富的肌肉群，以便支撑身躯并推进躯体运动，缓解快速奔跑时腿部较高的适应压力；腿部肌腱像弹簧一样压缩储存大量势能，可减缓落地冲击和储存部分落地能量，减少能量耗散。（3）骨骼肌肉协同机制。犀牛及袋鼠在运动中产生较大的骨骼及肌腱应力，使得肌肉横截面积和骨骼强正异速生长，使其储存更多弹性应变能，在进行剧烈运动时协同工作，共同承担激烈运动下的冲击力，保护身体组织结构不受损伤。本文为缓解振动产生的不利影响，从仿生学和生物力学机理入手，基于犀牛、袋鼠的骨骼、肌肉和肌腱储能减振的作用，采用工程仿生技术，设计行走机构。犀牛和袋鼠进化后，股骨得到强化且股骨周围分布丰富的肌肉群，因此设置仿股骨内收肌减振器，模拟强壮的股骨和其周围肌肉群的弹性力；犀牛、袋鼠为响应奔跑和跳跃时的缓冲需求，跖肌被充分利用，且在长期进化中被强化，因此设置具有缓冲性能的仿跖肌减振器。基于上述分析，最终设计一种如图1所示的行走机构整体。2 运动学参数定义与建模 2.1运动学参数定义及自由度的计算为便于定义运动学参数，将仿生悬架系统简化为如图2所示。图2中：O、A固定在车架上；A、C、B分别为仿生踝关节、膝关节和髋关节；l1为仿跖骨连杆；l2为O、A间距；l3为仿胫骨连杆；l4i为某时刻，仿股骨内收肌减振器；l6j为仿跟腱减振器。15第22卷中 国 工 程 机 械 学 报该机构自由度F的表达式如下：F=(6-m)n-t=m+15(t-m)Pt（1）式中：m为公共约束数；n为活动构件数；t为t级运动副约束数；Pt为t级运动副个数。图2中，l4i、l6j可伸缩，均为自由构件，l3、l1也属于自由构件。车架与l4i在点B的约束；l3与车架在点A的约束；l1与车架在点O的约束及l1与l6j在点D的约束均为转动副。l3、l4i及l6j在点C的约束为两个转动副。l4i和l6j可伸缩，均为移动副，负重轮与l1在点D的约束为局部约束，对自由度不产生影响。综上所述，该仿生悬架系统共有8个级副（6个转动副和2个移动副），没有其他运动副。所以由式（1）可得机构的自由度为 2，满足仿生悬架系统转动平移的实际运行需求。2.2仿生悬架系统运动学模型建立2.2.1仿生悬架系统运动学建模在不影响仿生悬架系统运动学分析的情况下，简化其骨骼和肌肉，l1、l2、l3、l5、l6j、1、2、2均为给定参数，由图2可得OA=(l2cos2，l2sin2)=(xa，ya)（2）OD=(l1cos1，l1sin1)=(xd，yd)（3）AD=OD-OA=(xd-xa，yd-ya)（4）|AD|=()xd-xa2+()yd-ya2（5）式中：1为仿跖骨连杆与水平面初始夹角，（）；（xa，ya）为仿生踝关节在坐标轴中的位置坐标，mm；（xd，yd）为车架位置坐标；l1为仿跖骨连杆长度，mm；l2为OA的间距，mm；l4i为仿股骨内收肌减振器长度，mm。cos1cos-sin1sin=l23+|AD2-l26j2l3|AD（6）式中：为 AD 与水平线的夹角，（）；1、2、3、4、5分别为连杆间的夹角，（）；l6j为仿跟腱减振器长度，mm。cos=xd-xa|AD，sin=-yd-ya|AD（7）代入式（6）并整理得2l3(xd-xa)cos1+2l3(yd-ya)sin1=l23+|AD|2-l26j（8）式中：l3为仿胫骨连杆长度，mm。A=2l3(xd-xa)B=2l3(yd-ya)C=l23+|AD|2-l26j（9）式（8）可变为Acos1+Bsin1=C（10）代入万能公式，可得：1=2arctan(BA2+B2-C2A+C)（11）AC=(l3cos1，l3sin1)OC=OA+AC（12）OC=(xa+l3cos1，ya+l3sin1)=(xc，yc)（13）式中：（xc，yc）为仿生膝关节在坐标轴中的位置坐标。l4i可以表示为l4i=()l3cos1-l5cos22+()l5sin2-l3sin12（14）其中，令l4、l6为减振器伸缩量，其可表达为l4=l4i-l4i-1（15）l6=l6j-l6j-1（16）式中：i，j=1，2，n，则可得3=arctan(l3cos1-l5cos2l5sin2-l3sin1)+2（17）4=arccosl23+l26j-|AD22l3l6j（18）5=1+4=2arctan(BA2+B2-C2A+C)+arccosl23+l26j-|AD22l3l6j（19）由式（11）、式（15）、式（16）、式（17）、式（19）可分别得到1、l4、l6、3、5的值，及式（13）得出点C的位置坐标（xc，yc）。2.2.2数值算例以图2所示仿生悬架系统为例，在初始时刻（1取值-26）时，给定 l1、l2、l3、l5、l6j、2、2相应参数，代入基于上述计算流程的Matlab程序，得出1、3、5的值分别为 20.8、145.3和 81.2，l4i的长度为图2仿生悬架系统简化图Fig.2Simplified diagram of bionic suspension system16第1期李占龙，等：高速-重载全地形车仿生悬架系统运动学分析332 mm，以及点 C的位置坐标（336，296）；在静载时刻（1取值4）时，代入上述Matlab程序，得出1、3、5的值分别为 31.2、153.9和 89.8，l4i的长度为264 mm，以及点 C的位置坐标（301，369），具体参数见表1。3 仿生悬架系统运动学分析 3.1仿生悬架系统参数化建模为验证数学模型理论计算结果的可靠性，在Creo中建立三维模型，对其进行位置仿真，将结果与表1理论计算比较。在验证结果可靠的情况下，开展运动学分析，获取角速度及角加速度随时间变化的图像，进而对机构展开进一步运动学性能分析。3.2运动学特性分析根据全地形车实际运行需求，本文输入为l1的正弦激励1，其他仿生构件的运动参数为输出，模拟仿生悬架系统的运动。初始时刻，平衡肘在水平方向以下，角度为26，在Creo中进行机构的运动模拟，记录 l1、l3、l4i、l6j与水平方向的角位移（1、1、3、5）、角速度、角加速度参数随时间变化的值。本文通过Creo将数据输出为Excel文件，并在Excel中形成更清晰的图形，以便进一步观察分析。各仿生构件与水平线夹角角位移随时间变化曲线如图3所示。由图3可知，当l1与水平线的夹角 1为 4（静载）时，各输出角度 1、3、5分别为30.1、153.0和89.1，这与表1数值算例求解得到的31.2、153.9和89.8位置解相近，证明了数学模型的可靠性。将位置分析的理论计算结果与三维模型运动仿真结果比对，证明本文所采用的位置分析方法的正确性。在建模分析比对理论结果正确的基础上，进一步根据运动学仿真结果，输出其输入角及输出角的角速度，以及角加速度随时间变化的图像，分析角速度及角加速度，其结果记录如图4和图5所示。由图3图5可知各仿生构件参数随时间变化的趋势。各构件的角位移曲线较为规律，运行较为平滑，但角速度和角加速度在7.5 s左右出现较大波动，这是因为l6j在此时到达压缩行程极限，l4i运动与l6j之前的运动叠加；17.5 s左右出现的较大波动与这一情况相同，但可采用为两仿生减振器施加阻尼控制的方式加以避免。纵观整个运动周期，虽然存在一定的波动冲击，但其余时间变化均较为平表1数值算例参数Tab.1Parameters of numerical algorithms初始静载1/（）-2642/（）1201201/（）20.831.22/（）67.667.63/（）145.3153.94/（）60.458.65/（）81.289.8l1/mm300300l2/mm160160l3/mm445445l4i/mm332264l5/mm375375l6j/mm433.0390.5图3各仿生构件与水平线夹角角位移随时间变化Fig.3Angular displacement between bionic components and horizontal line changes with time图4各仿生构件与水平线夹角角速度随时间变化Fig.4Variation of angular velocity between bionic components and horizontal line with time图5各仿生构件与水平线夹角角加速度随时间变化Fig.5Angular acceleration between bionic components and horizontal line changes with time17第22卷中 国 工 程 机 械 学 报稳，整体变化相对稳定，说明机构在运行过程中能有效地保证结构的稳定。4 结论（1）本文从自然灾害情况入手，面向应急救援装备实际需求，依托仿生学原理和生物力学机理，探究自然界犀牛、袋鼠缓冲特征与全地形车速度快、承载重、冲击强等应用性能间的内在联系，结合机械原理，设计一款结构简单、抗冲击能力强的行走机构仿生悬架系统，响应多工况下高效缓冲的需求。（2）结合几何原理，建立仿生悬架系统运动学数学模型，利用Matlab求出各输入、输出角位置参数数值算例，通过Creo建立三维仿真模型，并对其进行位置仿真分析，验证数值算例的正确性。在验证其仿真结果与理论计算结果相符的基础上，得到各仿生构件随与负重轮相连的仿跖骨连杆l1的正弦激励1变化而产生角位移、角速度、角加速度等仿真数据及运行轨迹，对相应角速度和角加速度随时间变化的运动轨迹展开运动学分析，由运行轨迹可以看出各元件相对运动的曲线平缓，验证了该机构在运动过程中的平稳性，表明结构设计符合减小冲击和振荡的实际运行需求。（3）运动学数学模型可为后续结构参数优化、确定减振单元弹性元件阻尼刚度、进一步实行动力学的实时控制和试验工作，提供可靠的数据资料和理论支撑，有助于提高减振系统研究与设计效率，缩短研发周期，降低研究成本，同时为其他减振系统研究提供有益参考。参考文献：1中华人民共和国应急管理部救灾和物资保障司.应急管理部发布2022年全国自然灾害基本情况 EB/OL.2023-01-13.https：/ J.劳动保护，2021（7）：90-91.4王璐，于海龙，江民，等.装甲车辆悬架系统模糊PID控制仿真研究 J.噪声与振动控制，2020，40（5）：152-158.5邢运，杨嘉陵.动物进化的抗冲击策略及其仿生机理研究 J.力学进展，2021，51（2）：295-341.6MALLET C，CORNETTE R，BILLET G，et al.Interspecific variation in the limb long bones among modern rhinoceroses-extent and driversJ.PeerJ，2019，7：e7647.7ALEXANDER R M N，JAYES A S.A dynamic similarity hypothesis for the gaits of quadrupedal mammalsJ.Journal of Zoology，1983，201（1）：135-152.8BIEWENER A A，PATEK S.Animal locomotionM.New York：Oxford University Press，2018.9ETIENNE C，HOUSSAYE A，HUTCHINSON J R.Limb myology and muscle architecture of the Indian rhinoceros Rhinoceros unicornis and the white rhinoceros Ceratotherium simum（Mammalia：Rhinocerotidae）J.PeerJ，2021，9：e11314.10ALEXANDER R M.Principles of animal locomotion M.Princeton：Princeton University Press，2003.11ALEXANDER R M，VERNON A.The mechanics of hopping by kangaroos（Macropodidae）J.Journal of Zoology，1975，177（2）：265-303.12HOPWOOD P R，BUTTERFIELD R M.The locomotor apparatus of the crus and pes of the eastern gray kangaroo，macropus-giganteus J.Australian Journal of Zoology，1990，38（4）：397-413.13KRAM R，DAWSON T J.Energetics and biomechanics of locomotion by red kangaroos（Macropus rufus）J.Comparative Biochemistry and Physiology Part B：Biochemistry and Molecular Biology，1998，120（1）：41-49.14MORGAN D L，PROSKE U，WARREN D.Measurements of muscle stiffness and the mechanism of elastic storage of energy in hopping kangaroosJ.The Journal of Physiology，1978，282（1）：253-261.15JSCHKE S.Untersuchungen zur funktionellen anpassung der rckenmuskulatur und der wirbelsule quadrupeder affen und knguruhsJ.Zeitschrift fr Anatomie und Entwicklungsgeschichte，1972，137（1）：47-85.18