奚 旺，王佳楠，王 哲

（1.中國石化大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045；2.南陽新成高架設(shè)備有限公司，河南 南陽 473000）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，機器人在越來越多的領(lǐng)域被應用。已有許多針對機器人在復雜環(huán)境下“行走”與繞過障礙物的研究報道。謝永[1]提出新型履帶式高壓線路巡檢機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，提高機器人運行的穩(wěn)定性及爬坡性能，采用折疊式柔性機械臂使質(zhì)心變化平穩(wěn)。宗成國[2]設(shè)計一種關(guān)節(jié)式雙履帶機器人，由前、后殼體通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，極大提高其越障性能。劉昌福[3]設(shè)計一種關(guān)節(jié)式履帶巡檢機器人，分析其翻越圓管障礙、凸臺以及樓梯等障礙時的越障能力以及動態(tài)穩(wěn)定性。陳宗堯[4]設(shè)計一種小型關(guān)節(jié)履帶式機器人，對該機器人在越障過程中姿態(tài)調(diào)整對越障能力的影響程度進行研究，并采用最優(yōu)化方法求解了該機器人的最大越障高度。徐如強[5]從六履帶機器人的結(jié)構(gòu)特點和障礙特征著手，對六履帶機器人對臺階、斜坡、溝道等典型障礙特征的越障性能進行探究，得到越障性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)及越障姿態(tài)的內(nèi)在關(guān)系。張世月[6]探究地面附著系數(shù)、輪胎半徑、重心位置等參數(shù)對六輪移動平臺各輪胎越障能力的影響規(guī)律，并提出一種重心主動調(diào)整的方法。孫雪蓮[7]對輪式家用監(jiān)控機器人的運動學正問題和逆問題進行分析，在此基礎(chǔ)上對輪式家用機器人進行歸集分析和動力學分析，建立直線、零半徑自轉(zhuǎn)、爬坡和臺階越障四種運動下的實驗分析。李特[8]構(gòu)建機器人在環(huán)形凸臺和環(huán)形凹槽障礙環(huán)境的準靜態(tài)越障模型，定量分析螺旋驅(qū)動式管內(nèi)機器人越障動作與約束下最優(yōu)越障性能。馬廣志[9]以水平井輪式牽引機器人為研究對象，對系統(tǒng)及各部分功能進行理論分析，并對牽引單元和扶正單元正常工作條件下的結(jié)構(gòu)進行分析。李一鵬[10]基于行星輪鏈接式車體結(jié)構(gòu)的新型越障機器人為研究對象，圍繞機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化、越障性能的分析及其機電系統(tǒng)的設(shè)計展開了研究?；屡笏蒣11]提出一種輪-腿復合式越障結(jié)構(gòu)，并對其傳動結(jié)構(gòu)、靜力學性能及越障性能進行細致研究。王亞翔[12]開展具有高底盤和強越障特性的機器人研究，完成機器人設(shè)計及越障優(yōu)化，并提出以機械臂的動態(tài)規(guī)劃來提高越障高度的方法。

本研究基于以上研究，設(shè)計一種針對油罐罐底油泥實施自動化清洗的特種機器人。由于油罐底部復雜的工作環(huán)境，機器人在運動過程中易發(fā)生由于動力不足導致越障失敗，也會因受力失衡進而導致整個系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至傾覆。因此，保持油罐清洗機器人在罐底具有良好的越障性能和穩(wěn)定性十分重要。

1 模型構(gòu)建

本研究履帶油罐清洗機器人整體運行環(huán)境物理模型如圖1 所示，包括待清洗油罐、陽極塊和油罐清洗機器人。其中油罐清洗機器人整體示意圖如圖2 所示，包括行走機構(gòu)（履帶機器人底盤）、水射流清洗系統(tǒng)等。為了進一步分析履帶油罐清洗機器人的行走模式，將行走機構(gòu)進一步分解至如圖3 所示。其行走機構(gòu)主要由主動輪、承重輪和從動輪組成。

圖1 油罐清洗機器人工作運行環(huán)境物理模型

圖2 油罐清洗機器人整體示意圖

圖3 油罐清洗機器人零部件結(jié)構(gòu)示意圖

本研究的小型履帶機器人在ADAMS 環(huán)境下模擬履帶機器人通過15 cm 障礙物時的行駛工況。為了加速仿真計算，在保證計算精確的基礎(chǔ)上盡量使模擬結(jié)構(gòu)和運動過程簡單，故對該履帶機器人進行一定的簡化，對履帶機器人的上部水射流清洗系統(tǒng)以及各結(jié)構(gòu)框架不列入討論范圍，且對履帶機器人行走過程影響不大，因此，對除行走機構(gòu)以外的結(jié)構(gòu)進行簡化。主要是主動輪、承重輪和從動輪的協(xié)調(diào)促使履帶機器人的行走，并且主動輪、承重輪和從動輪是主要的動力傳輸結(jié)構(gòu)和行動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，因此以主動輪、承重輪和從動輪為主要研究對象，對行走機構(gòu)進行合理簡化。履帶機器人主要依靠氣動馬達帶動主動輪進行越障，在建模過程中將工作過程簡化為主動輪提供動力，從動輪、承重輪與主動輪保持同速，簡化履帶機器人越障過程的模擬過程。最后建立簡化后的履帶機器人模型，該模型由主動輪、承重輪、從動輪和機體四部分組成，如圖4 所示。利用參數(shù)化建模對各部件進行建模并裝配完成整個履帶機器人模型。

圖4 履帶機器人模型

通過測量主動輪速度、履帶機器人整體速度、履帶機器人和主動輪速度對比以及主動輪轉(zhuǎn)矩，評價履帶機器人的垂直越障能力和工作可靠性。

對于履帶機器人的越障過程，存在3 個經(jīng)典位置，分別為主動輪、承重輪以及從動輪恰好接觸至障礙物，這3 個位置下的靜力分析對整個越障過程有指導意義。履帶機器人越障過程靜力分析如圖5～圖7所示。F1表示地面（障礙物）對主動輪的支持力，F(xiàn)2表示地面（障礙物）對承重輪的支持力，F(xiàn)3表示地面（障礙物）對從動輪的支持力，θ表示輪運動方向與地面法向方向夾角，ε表示主動輪與從動輪圓心連線與地面的夾角，L1表示承重輪到主動輪的徑向距離，L表示從動輪到主動輪的徑向距離，a表示重心到主動輪的徑向距離，G表示機器人的重力，μ表示地面附著系數(shù)，R表示輪胎半徑，O1、O2、O3分別表示主動輪、承重輪和從動輪的圓心，懸架系統(tǒng)被簡化為彈簧，其剛度系數(shù)分別設(shè)置為k1、k2、k3，h表示重心至O1與O3連線的距離，Hm表示障礙物高度，Δd1、Δd2、Δd3表示彈簧在力的作用下的變化距離。

圖5 履帶機器人從動輪接觸障礙物時靜力分析

圖7 履帶機器人主動輪接觸障礙物時靜力分析

當主動輪接觸障礙物時，如圖5 所示，以O(shè)1為圓心建立直角坐標系XO1Y，建立受力平衡方程∑FX=0，∑FY=0 和∑MO1=0，方程展示如下。

對彈簧變形量進行分析有：

整理，有：

當承重輪接觸障礙物時，如圖6 所示，以O(shè)3為圓心建立直角坐標系XO3Y，建立受力平衡方程∑FX=0，∑FY=0 和∑MO3=0 與彈簧變形方程如下所示：

圖6 履帶機器人承重輪接觸障礙物時靜力分析

整理，有：

當從動輪接觸障礙物時，如圖7 所示，以O(shè)3為圓心建立直角坐標系XO3Y，建立受力平衡方程∑FX=0，∑FY=0，∑MO3=0 與彈簧變形方程如下所示：

整理，有：綜合圖5～圖7 對3 個經(jīng)典位置的靜力分析，得到有障礙物高度Hm參與的靜力表達關(guān)系式。通過上述靜力分析，可進一步對履帶機器人的越障高度進行分析計算。

2 仿真分析

選取履帶機器人通過15 cm 罐底陽極塊過程進行數(shù)值模擬，從動輪、承重輪與主動輪轉(zhuǎn)速相同。模擬過程主動輪的速度曲線如圖8 所示，2.8 s～5.2 s 內(nèi)主動輪速度變化范圍較大，5.2 s 后履帶機器人完全越過障礙，繼續(xù)平穩(wěn)行駛。

圖8 主動輪速度隨時間變化曲線

履帶機器人整體速度如圖9 所示，在履帶機器人越障過程中，履帶機器人整體速度在對應過程速度也隨之變化。

圖9 履帶機器人整體速度隨時間變化曲線

對比在越障過程中履帶機器人整體速度和主動輪速度，如圖10 所示，發(fā)現(xiàn)在整個越障過程中二者速度吻合度較高，沒有出現(xiàn)較大的速度滑移，這說明在越障過程中履帶機器人具有良好的性能，抓地力、加速和剎車能力優(yōu)秀，履帶機器人可以保證穩(wěn)定的行駛。

圖10 履帶機器人和主動輪速度隨時間變化曲線對比

履帶機器人主動輪轉(zhuǎn)矩如圖11 所示，在2.8 s～5.2 s 的越障過程中轉(zhuǎn)矩變化最大。為保證順利越障，需要調(diào)整氣動馬達壓力值，使其滿足上述條件。同時，通過獲得主動輪轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線，可以與理論計算值進行比較，指導選擇合適的氣動馬達。

圖11 主動輪轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

本文主要對一種履帶油罐清洗機器人的越障過程進行分析，通過對數(shù)值模擬越障過程，對主動輪速度、履帶機器人整體速度、履帶機器人和主動輪速度對比以及主動輪轉(zhuǎn)矩進行分析，體現(xiàn)履帶機器人的性能，同時也為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)，具有重要指導意義。

3 結(jié)論

本研究建立了履帶油罐清洗機器人在ADAMS環(huán)境中的模型，獲得了主動輪轉(zhuǎn)矩及其在越障過程的速度隨時間變化曲線。

（1）對比在越障過程中履帶機器人和主動輪速度隨時間變化曲線，結(jié)果表明：速度滑移較小，履帶機器人在越障過程中抓地力、加速和剎車表現(xiàn)能力較好。

（2）通過履帶機器人和主動輪速度隨時間變化曲線對比可以看出，履帶機器人在越障過程運行平穩(wěn)，可以保證穩(wěn)定的行駛。

（3）通過獲得主動輪轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線，可以與理論計算值進行比較，指導選擇合適的氣動馬達。

（4）結(jié)合數(shù)值模擬數(shù)據(jù)分析，對進一步開展研究工作具有重要指導意義。