任务型履带单兵机器人系统设计与越障性能分析.pdf

军事用途机器人的应用很大程度上降低了士兵及工作人员作业的危险性,针对当前单兵机器人普遍具有的结构复杂、携带不便等问题,设计并研制了一种便于携带的任务型单兵机器人,其轻质、灵活的特点可快速响应侦察、排爆、采样等任务的需要。为分析机器人的越障机理并提高越障性能,通过建立质心运动学模型,对机械臂俯仰角、机器人俯仰角与凸台越障最大高度进行理论分析,并通过仿真实验得到了机械臂不同姿态下机器人越障的质心位置变化曲线以及对应的驱动转矩曲线,以此确定了最佳越障姿态,最终通过实物实验验证了结构设计的合理性及理论分析的正确性。研究成果为后续单兵机器人的发展和移动机器人越障性能的改善提供参考。关键词 单兵机器人;姿态规划;越障性能;运动学中图法分类号 TP242;文献标志码 ASystem Design and Obstacle-surmounting PerformanceAnalysis of Task-based Tracked Individual RobotWANG Si-qi1,2,LIU Man-lu2,ZHANG Jun-jun1,ZHANG Xing-lang2,QIAN Wei-min2(1.School of Manufacturing Science and Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.Robot Technology Used for Special Environment Key Laboratory of Sichuan Province,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China)Abstract The application of military purpose robots has greatly reduced the risks of soldiers and workers,in view of the current in-dividual robots are common problems such as complicated structure,carrying the inconvenience,a kind of easy to carry the task of in-dividual robots were designed and developed.Its lightweight and flexible characteristics can quickly respond to the task of reconnais-sance,explosive disposal,sampling and other tasks.To analyze the robot obstacle-navigation mechanism and improve the obstacle-sur-mounting performance,through the establishment of the center of mass of kinematics model of the mechanical arm pitching angle,thepitching angle and convex obstacle surmounting of robot were theoretically analyzed,the maximum height and the mechanical arm wasobtained by simulation experiment under the different attitude of the robot obstacle-navigation centroid position change curve and thecorresponding driving torque curve,in order to determine the optimum obstacle.Finally,the rationality of the structure design and thecorrectness of the theoretical analysis were verified by the physical experiment.The research results provide reference for the develop-ment of soldier robot and the improvement of obstacle surmounting performance of mobile robot.Keywords man-portable robots;posture planning;the obstacle-surmounting performance;kinematics 随着机器人技术飞速发展,其应用场景也愈发广泛。在城市反恐、疫情防控以及灾后救援中,存在很多危险性工作,如侦察、排爆、拆除、搜救、采样等,针对上述场景开展对应的机器人技术研究非常必要且实用。具有很高的应用价值。其中,背包式小型机器人具有轻量化、智能化、集成化的特点,具有较好的社会效益与应用前景,是目前研究热点之一。外国相关企业对此技术研发较早,如美国海军投稿网址:曾在伊拉克部署的 Dragon Runner 侦察机器人,代替士兵前往危险区域收集信息并传回后方,提高士兵生存率;英国 P.W.ALLEN 公司研制的 MK 系列多功能小型排爆机器人,在兼顾多种功能的同时体积小且操作简便;德国 Telerob 公司推出的 Teodor 排爆机器人,其自适应履带结构使其具有较强的地形适应能力,且具有较大的负载能力1-2。中国对单兵机器人的研究起步较晚,目前研究成果有:沈阳自动化研究所自主研发的“灵蜥”系列排爆机器人,具有较强的地形适应能力与负载能力,但自重与体型较大,不便携带;上海交通大学研制的Super-D系列排爆机器人,该机器人驱动能力强、操作简便3-4。相较于世界先进水平,中国研制的单兵机器人仍有整体结构复杂、性能较为单一、便携性较差的缺点,导致无法快速的应用于各种作业中。针对这些问题,设计一种履带式单兵机器人。其具有结构紧凑、质量轻、体积小、成本低且操作简便的特点,可以在保证其便携性的同时,顺利完成越障、排爆等任务,提高了排爆作业的时效性。考虑单兵机器人常在复杂的非结构化环境中工作,所以要求其应具有斜坡、台阶、沟渠以及各种障碍物的适应能力,有一定的越障性能5-6,首先分析动载荷对履带式机器人越障性能的影响,建立质心运动学模型,对机器人不同位姿状态下质心位置进行理论分析,确定机器人的最佳越障姿态,然后利用多体动力学仿真分析软件 RecurDyn 对理论分析结果进行验证,研究在不同障碍高度下机械臂姿态对机器人越障性能及稳定性的影响,最终通过实物样机验证理论的正确性。根据研究结果,本文所开发的履带式单兵机器人展现出优秀的运动性能,并具备便携性,有着较高的应用潜力,对中国单兵机器人技术的发展积累起到了积极作用。1 机器人整体结构由于作业场景的多样性与工作空间受限性,单兵机器人采用履带式移动底盘搭载五自由度机械臂的方案。在结构紧凑的同时,保证了机器人作业的稳定性和灵活性,并使其具有一定的越障能力。整体结构如图 1 所示。通过分析机器人的作业环境和使用需求,最终驱动模块采用越障性能好且行走效率高的倒梯形式履带机构,两侧独立后置驱动;作业模块采用五自由度关节机械臂,在结构紧凑的同时,保证其能在狭小空间内灵活作业。车体及机械臂采用高强度轻质铝合金,即保证了结构强度,也降低了机器人的整体质量。将以上几点结合完成机器人结构设计,其主要设计参数如表 1 所示。图 1 机器人整体结构Fig.1 Overall structure of the robot表 1 机器人主要设计参数Table 1 Main design parameters of the robot参数数值外形尺寸(长 宽 高)/(mm mm mm)645 440 340整机质量/kg18最大行驶速度/(m s-1)1.5加速时间/s3最大越障高度/mm130伸展臂长/mm755最大负载/kg1.52 越障机理分析2.1 凸台越障过程分析机器人的质心位置是判断其越障性能的关键要素,质心能够跨越障碍物边线(障碍物边缘的垂直延长线)是机器人成功越障的充分必要条件7。建立如图2 所示以驱动轮圆心 O1为原点,平行于履带方向为 X 轴,垂直于履带方向为 Y 轴的坐标系X1O1Y1,分析单兵机器人攀越凸台障碍物的过程。当机器人接触凸台后,首先底盘前端搭靠在凸台边缘,随着攀爬的进行,机器人质心逐渐靠近凸台图 2 履带底盘攀越凸台过程Fig.2 Crawler chassis climbing over bumps304012023,23(24)王思棋,等:任务型履带单兵机器人系统设计与越障性能分析投稿网址:边线,到达越障过程的临界阶段,此时履带继续运动,将出现两种情况:质心越过凸台边线,底盘在自重的作用下,绕着凸台边缘线落到凸台平面上,完成越障;质心无法越过凸台边线,底盘俯仰角逐渐增大,履带原地空转甚至底盘向翻转,越障失败。图 2(b)为临界阶段为凸台越障过程的关键阶段,故对其建立图 3 所示数学模型进一步分析。以质心坐标 G(x0,y0)及底盘俯仰角 为自变量建立函数 H(x0,y0,)。H=r+asin(-)+(x0-y0tan)sin-hcos(1)式(1)中:H 为凸台高度;r 为负重轮半径;为底盘俯仰角且(0,/2);为OOO的角度;a 为OO的长度;h 为驱动轮轴线垂直离地高度。分析质心位置与最大越障高度的关系,将式(1)分别对 x0、y0求偏导得Hx0=sin 0Hy0=-sintan 0(2)由(0,/2)可知,H(x0,y0)关于 x0在 x0(0,l0)上单调递增,关于 y0在 y0(-h,+)上单调递减,由此可得机器人在整体质心位置靠前下部时可攀越较高的凸台。分析底盘俯仰角与最大越障高度的关系,将式(1)分别对 求一阶、二阶偏导得H=-acos(-)+x0cos-y0sin-(x0+y0)sincos22H2=-asin(-)-x0sin-y0cos-(x0+y0)(sin2+1)cos3(3)l1为 OO的长度图 3 凸台越障临界阶段Fig.3 Critical stage of bump crossing 由式(3)可知,2H2在(0,/2)上小于零,即当H=0 时,函数 H(x0,y0,)有最大值 HMax。在底盘可攀越凸台且不发生翻转的前提下,可根据几何关系得到对应的最大俯仰角 Max8为Max=arcsiny0 x0+y0(4)综上所述,当 H=HMax时,若 Max,则底盘将向后翻转甚至倾覆。2.2 机器人整体质心运动学分析由于固定式履带底盘的最大越障高度有限,故需通过调整机械臂姿态改变单兵机器人整体的质心位置,进而优化其越障性能。因此,对机械臂姿态与单兵机器人整体质心位置之间的关系进行研究。建立机器人坐标系 X1OY1如图4 所示。为减少计算量,建模分析前对单兵机器人整体系统进行简化假设9-10。(1)忽略五自由度机械臂质心偏置,单兵机器人整体对称,质量均匀分布至两侧履带,忽略载荷分布不均造成两侧履带扭矩不同。(2)简化单兵机器人模型,各部分质心分别位于其几何中心,上端机械臂质量简化,均匀分布于大臂、小臂和末端工具。(3)机器人在翻越障碍物过程中均为纯滚动,忽略滑动摩擦,将约束力理想化。建立质心方程11-12,在机器人坐标系中,机器人整体质心坐标 G(x0,y0)可表示为x0=m1x1+m2x2+m3x3+m4x4m1+m2+m3+m4y0=m1y1+m2y2+m3y3+m4y4m1+m2+m3+m4(5)式(5)中:m1 m4分别为机器人本体、大臂、小臂、末端工具质量;(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)g 为重力加速度图 4 机器人坐标系及尺寸参数Fig.4 Robot coordinate system and dimensional parameters40401科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:分别为单兵机器人本体、大臂、小臂、末端工具质心在机器人坐标系下的位置坐标,可分别表示为x1=12l1,y1=0 x2=l1-d-12l2cos1y2=12R+12l2sin1x3=l1-d-l2cos1+12l3cos(2-1)y3=12R+l2sin1+12l3sin(2-1)x4=l1-d-l2cos1+l3cos(2-1)+12l4y4=12R+l2sin1+l3sin(2-1)(6)式(6)中:l1为履带驱动轮与导向轮的距离;l2为大臂长度;l3为小臂长度;l4为末端工具长度;d 为机械臂底座中心到导向轮中心的水平距离;R 为驱动轮直径;1、2、3分别为大臂与机器人本体、小臂与大臂、末端工具与小臂之间的夹角,取逆时针旋转方向为正。末端工具坐标 X4OY4与机器人坐标 X1OY1之间的变换矩阵可表示为1T4=1T22T33T4=c1(-2)3s1(-2)30l1-d+12l4c1(-2)3-l2c1+l3c1(-2)-s1(-2)3c1(-2)30R2-12l4s1(-2)3+l2s1-l3s1(-2)00100001(7)式(7)中:s 和 c 分别为正余弦函数;下标 1、2、3 分别表示 1、2、3,如 c1(-2)3表示 cos(1-2+3)。同理可依次得到 X2OY2、X3OY3与机器人坐标X1OY1之间的变换矩阵1T2、1T3,由质心方程和机器人运动学可得到质心运动学模型在机器人坐标系中的表达式1P=(1P1m1+1T22P2m2+1T33P3m3+1T44P4m4)m1+m2+m3+m4=(X0 Y0 0 1)T(8)由机器人坐标系到世界坐标系的变换矩阵:0T1=rot(z,)rot(y,)rot(x,)trans(Px,Py,Pz)(9)式(9)中:rot 为旋转算子;trans 为平移算子;为机器人俯仰角;为机器人偏航角;为机器人翻滚角,如 rot(z,)为机器人坐标系绕 z 轴旋转 角度;trans(Px,Py,Pz)为机器人坐标系分别沿 x、y、z 方向平移 Px、Py、Pz距离。可得到质心运动模型在世界坐标系中的模型为0P=0T11P(10)图 5 为机械臂姿态与机器人整体质心坐标的对应关系。由于末端工具尺寸小质量轻,假定其为水平放置,从图 5 可以看出,当大臂俯仰角 1和小臂俯仰角 2变化时,机器人整体质心位置也会发生改变,从而影响机器人的越障性能,其中,当 1、2接近 180时机器人质心位置最靠前,能够确定该状态为单兵机器人最佳越障姿态。为进一步分析机械臂俯仰角与最大越障高度的关系,将式(4)、式(5)代入式(1)中,得到以 1、2为自变量的函数 H(1,2),图 6 为机械臂俯仰角与图 5 机械臂姿态对机器人整体质心位置影响Fig.5 Effect of robot arm posture on the overallcenter-of-mass position of the robot图 6 机械臂姿态与最大越障高度关系Fig.6 Relationship between robot arm posture andmaximum overrun height504012023,23(24)王思棋,等:任务型履带单兵机器人系统设计与越障性能分析投稿网址:凸台越障高度对应关系,可以看出,机器人可攀越凸台高度随着俯仰角增加而升高。3 多体动力学仿真实验为了更为可靠的分析机器人质心位置对越障性能的影响,并进一步探究最佳越障姿态,将模型导入 RecurDyn 中,对机器人进行多体动力学仿真实验。通过改变机械臂俯仰角及凸台障碍高度来研究质心的改变对越障性能的影响,同时研究以不同姿态跨越凸台时所需的驱动转矩。3.1 机器人仿真模型的建立仿真模型的建立主要分为模型的搭建及约束的添加两个部分。为减少计算量,提高仿真速度,在不影响机体性能的前提下,将机器人简化为机械臂和履带移动底盘两个部分,并去除不必要的电气元件与部分标准件13。之后运用 RecurDyn中的 Track(LM)履带工具进行履带底盘模型的建立,设置仿真环境机器人坐标 Z 轴与驱动轮轴线重合。建模完成后需对每个相对运动的零件间添加约束。为优化仿真结果,在导向轮及负重轮处设置弹簧力,最后进行摩擦系数和弹性模量的设置,得到单兵机器人的仿真模型。单兵机器人凸台越障仿真过程如图 7 所示,仿真过程验证了机器人以最优姿态攀越 120 mm 凸台的可行性。图 7 120 mm 凸台越障仿真过程Fig.7 120 mm bump crossing simulation process3.2 机器人仿真性能参数的设置机器人仿真性能参数设置是否合理对仿真结果具有很大的影响。需要根据机器人的设计要求设置合理的性能参数、接触参数及材质属性等14。为了模拟履带驱动系统从静止到加速,再到匀速的过程,对履带驱动轮设置半正矢阶跃函数HAVSIN(x,x0,h0,x1,h1),其表达式定义为h0,x x0(h0+h1)2+(h1-h0)2sin(x-x0)(x1-x0)-2,x0 x x1h1,x x1(11)式(11)中:x 为自变量,可以是时间或者时间的函数;x0为 HAVSIN 函数的起点自变量值;h0为阶跃起点处的函数值;x1为阶跃终点自变量值;h1为阶跃终点的函数值。设置驱动函数为 HAVSIN(TIME,0.1,0,2,pi),即自变量为时间,表示驱动轮在 0.1 2 s 内由 0 加速到 rad/s,驱动轮角速度变化曲线如图 8 所示。图 8 驱动轮速度与加速度变化曲线Fig.8 Drive wheel speed and acceleration variation curve3.3 越障性能仿真实验及分析单兵机器人仿真模型搭建完成后,创建高度为h 的凸台障碍路面,设置路面环境为标准硬质路面,开始进行仿真。首先机器人以收缩状态进行越障,越障高度从 80 mm 依次递增,间隔为 20 mm,当机器人无法以该状态越障时,通过调整机械臂姿态提高其越障性能,验证上文所述理论分析。仿真实验结果如图 9 所示。参数条件如表 2 所示。图 9(a)为机器人在初始状态下机器人攀越80 mm凸台质心变化,可以看出,机器人经过小段颠簸后成功攀越障碍。从图9(b)可以看出,凸台高度增加至100 mm 时,60401科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:图 9 仿真实验结果Fig.9 Simulation experiment results表 2 参数条件与仿真曲线对应关系Table 2 Correspondence between parameterconditions and simulation curves初始参数/mmR1/()2/()凸台高度h/mm对应图幅40011.980图 9(a)40011.9100图 9(b)40150150100图 9(c)40150150120图 9(d)40180180120图 9(e)机器人在初始状态下无法攀越障碍,质心位置呈上下浮动,对应的驱动转矩在一瞬间增至极值。图 9(c)为机器人通过改变机械臂姿态从而提高了整体质心,成功攀越 100 mm 障碍,所对应的驱动转矩浮动较为稳定。从图 9(d)可以看出,保持图 9(c)实验时机械臂的姿态,当凸台高度增加到 120 mm 时,机器人仍可以攀越障碍,但此时机器人下落缓冲时所受冲击较大。图 9(e)为同样攀越 120 mm 障碍时,将机械臂大、小臂俯仰角设置为理论最优值,即调整机器人整体质心前移至 X 轴方向最大值,此时机器人为理论最优越障姿态。可以看出,机器人成功攀越障碍,且与图 9(d)中曲线做对比,机器人以最优姿态时减小了在缓冲阶段机器人所受的冲击。仿真结果(图 9)表明:当机械臂的俯仰角 1、2均为 180时,机器人可以进行 120 mm 凸台越障,且越障过程中所需驱动转矩稳定,越障后下落缓冲阶704012023,23(24)王思棋,等:任务型履带单兵机器人系统设计与越障性能分析投稿网址:段所受冲击较小。仿真结果得出的最佳越障姿态与理论分析一致,可以此提高机器人的越障性能并减小缓冲时对机器人的损害,增加使用寿命。4 样机试验验证为进一步验证所述单兵机器人结构设计的合理性及越障理论分析的正确性,根据三维模型加工出了单兵机器人实物样机,如图 10 所示。图 10 单兵机器人实物样机Fig.10 Man-portable robot physical prototype4.1 单兵机器人越障实验搭建如图 11 所示的模拟实验平台对机器人实物样机进行越障能力测试。以机械臂收缩、伸展两种状态进行对照实验,验证所述机械臂姿态对机器人越障性能的影响。具体实验情况如图 12 所示,首先机器人以收缩状态进行越障。凸台高度从 80 mm 依次递增,最大可跨越 100 mm。高度达到 130 mm 时,履带前端搭上凸台后,只能原地空转,无法实现攀越,此时操纵机械臂向前伸展,达到对应的最佳俯仰角时,机器人便可完成越障,满足所需的越障要求。图 11 模拟实验平台Fig.11 Simulation experimental platform4.2 单兵机器人模拟排爆实验为验证本文所设计单兵机器人的工作性能,设计模拟排爆环境,远程操纵机器人进行爆炸物抓取、转移,实验过程如图 13 所示,远程操纵机器人移动到达左侧目标物附近,调整机器人至合适的位置进行目标物的抓取,而后将目标物的转移右侧安全处置区域。图 12 单兵机器人越障实验Fig.12 Man-portable robot over barrier experiment图 13 单兵机器人模拟排爆实验Fig.13 Man-portable robot simulatesexplosive detonation experiment实验结果(图 13)表明:所设计任务型单兵机器人运动灵活且携带方便,能在多种路面环境下80401科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:运行,完成侦察、采样等工作,且能准确完成1.5 kg以内目标物的抓取、转移和处置工作,符合设计要求。5 结论根据应用场景和指标需求,设计一种便于携带、操作简便并且有一定越障能力的任务型单兵机器人,通过理论分析、仿真实验和实物实验,得出以下结论。(1)对于固定姿态履带底盘越障能力有限的问题,通过理论分析:建立了机器人质心坐标系,确定了机械臂姿态与机器人整体质心的关系,并分析了其对越障性能的影响,最终得出了单兵机器人的最佳越障姿态。(2)通过搭建动力学仿真模型,针对高度递增的凸台以不同的姿态进行了越障仿真实验,分析了运动过程中的质心高度,得到了不同质心位置的越障性能,验证了理论分析的正确性。(3)通过对实物样机进行越障实验及模拟排爆实验,进一步验证了机器人的越障能力与作业能力,为小型轻量式单兵机器人的研究提供参考。参考文献1 唐杰,李其祥.国外排爆机器人发展现状与启示J.科技与创新,2021(7):10-13.Tang Jie,Li Qixiang.Development status and enlightenment of ex-plosive disposal robot abroadJ.Science and Technology&Inno-vation,2021(7):10-13.2 De Cubber G,Balta H,Lietart C,et al.Teodor:a semi-autono-mous search and rescue and demining robotC/Applied Mecha-nics and Materials.Romania:Trans Tech Publications Ltd.,2014:599-605.3 孙霖.携带机械臂的履带救援机器人设计与仿真实验研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.Sun Lin.Design and simulation experiment research of tracked res-cue robot with manipulatorD.Harbin:Harbin Institute of Tech-nology,2020.4 孙家升.便携式排爆机器人设计与分析D.南京:南京理工大学,2019.Sun Jiasheng.Design and analysis of portable explosive disposal robotD.Nanjing:Nanjing 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