两种轮式月球车悬架方案及其虚拟样机仿真.

1、两种轮式月球车悬架方案及其虚拟样机仿真尚建忠1,2罗自荣2张新访11华中科技大学，武汉,4300742国防科学技术大学,长沙,410073摘要:提出了三摇臂悬架和双曲柄滑块联动扭杆悬架两种新型月球车悬架 系统;建立了月球车移动性能评价的数学模型；采用虚拟样机技术，从地面自适应、行 驶平顺性、越障性能三个方面对月球车的移动性能进行动力学分析。仿真结果表明，双曲柄联动扭杆悬架月球车具有很好的移动性能。关键词:月球车,移动性,虚拟样机,ADAMS中图分类号：TP24文章编号:1004-132X (200601-0049-04Tw o Ki nds of Wheeled Lunar R over Su

2、spe nsion Scheme &Their Virtual Prototype Simulatio nShang Jiangzhong 1,2L uo Ziro ng 2 Zhang Xingfan 11. Huazho ng Un iversity of Scie nee and Engin eeri ng ,Wuha n ,4300742. Natio nal Uni versity of Defe nse Tech no logy ,Cha ngsha ,410073Abstract :Two new suspe nsion systems n amed Three -Roc

3、ker suspe nsion and Two - Crank -Sli 2der Rocker suspe nsio n were proposed respectively.Virt ual Prototype was used to evaluate t heir self -adaptive con tact ,r unning smoot hn ess and over -obstacle ability.Simulatio n result s show t hat Two -Cam -Rocker suspe nsion based lunar rover owns better

4、 mobility.K ey w ords :lu nar rover ;mobility ;virt ual p rototype ;ADAMS收稿日期：2004-12-06基金项目：国家自然科学基金资助重点项目（6023460300引言移动性能是轮式月球车最基本的性能。月球探测对月球车的移动性能需求主要 体现在地面自适应性、行驶平顺性、越障性、连续工作时间、自主行驶功能等方 面。月球车移动性能主要取决于悬架和轮系，国内外学者提出了多种悬架结构，这些 悬架系统各有特点。日本宇航中心、梅基大学等单位联合研制的Micro5采用的是一种5点接触悬吊结构1;邓宗全等2提出的行星越障轮式月球车越障功能

5、很强但这种结构在跨越较大障碍时对行驶平顺性的影响较大；刘方湖等3设计的五轮铰接式月球机器人具有与美国节式空间探测机器人BlueRover相同的特点，地面自适应能力很好，但行驶平顺性与抗翻稳定性有待改善；美国Rocky系列探测机器人所采用的 rocker -bogie 悬架是一综合性能较好的结构4,5,清华大学、哈尔滨工业大学、 国防科学技术大学研制的月球车原理样车均有采用这种结构。本文提出了两种新型月球车悬架系统，对基于虚拟样机的移动性能评价理论与 方法进行了初步探讨，在ADMAS环境下对两种新型月球车悬架系统进行了仿真分 析。1两种新型轮式月球车悬架1.1六轮三摇臂悬架如图1所示，六轮三摇臂

6、悬架由车体、尾摇臂和两个侧摇臂组成。尾摇臂和两 个侧摇臂均可相对车体独立摆动，调整六轮对地面的相对高度，实现6个车轮对地面 的自适应。六轮三摇臂悬架月球车采用六轮驱动,4个角轮为转向轮，因此,整车自由度数为2X4（侧摇臂+5（尾摇臂+6（车体=19。图1六轮三摇臂悬架六轮三摇臂悬架结合了节式悬架（尾摇臂和摇臂悬架（侧摇臂的特点，既具有节式空间探测机器人 BlueRover的地面自适应 能力,又显著改善了其抗翻稳定性。与经典的Rocky系列机器人所采用的摇臂-转向架悬架相比，六轮三摇臂悬架结构的车体具有自稳定性，无需采用扭杆弹簧或差速齿 轮保持车体平衡，结构要简单。1.2双曲柄联动扭杆悬架如图2

7、所示，双曲柄联动扭杆悬架由左车架、右车架、扭杆弹簧、车体四部分 组成。左右车架采用花键与扭杆悬吊的两端固定 ，车体与扭杆悬吊的中间处固定，在 端部则可相对转动。如此，车架可相对于车体做微量转动，以防止机器人加减速时因 惯性冲击引发车体摆动0I9W2Q10Clum Andemifi JmrrMi ElwnnicAN righliIII $图2双曲柄滑块联动扭杆悬架左右车架采用双曲柄滑块联动结构。双曲柄滑块联动结构包括对称的两组曲柄滑块机构，两者之间通过两根连杆实现联动，曲柄支座与滑块、滑块与滑块之间均采 用弹簧连接，以达到减振与保证车架行驶平顺性的目标。双曲柄联动扭杆悬架月球 车采用六轮驱动，其

8、中4个角轮为转向轮，整车有22个自由度。双曲柄联动扭杆悬架机器人前轮越障时，曲柄1后摆，滑块1右移，前轮上升,中间 轮下降，如图3a所示。中间轮越障时，两个滑块相对滑动，前轮和后轮下降，中间轮提 升，如图3b所示I?(a前轮越障(b后轮越障图3双曲柄滑块联动扭杆悬架越障原理轮越障时，曲柄2前摆，滑块2左移，中间轮下降，后轮上升。2虚拟样机评价的数学模型及步骤2.1数学模型为保证评价模型的客观性和科学性，对任意空间探测任务的空间探测机器人解 空间的所有方案作如下一致性约束：负载与自重相同：总体尺寸相同；总功率相 同;最高行驶速度相同；行驶路径相同。据此,可建立空间探测机器人移动性能评价数学模型。

9、(1自适应性评价模型移动过程中的空间探测机器人，随着地形的起伏，车轮的相 对位置发生变化，与之相对地表现为车轮与地面接触力 F c的变化，该变化形成一条 随机曲线F c (t (图4a对其作如下处理：F m (t =F c (t -F pF P(1式中,F p为平地环境下车轮与地面接触力。则可得到单个车轮的自适应评价曲线F m (t (图4b。(a接触力曲线(b自适应性评价曲线图4单个车轮的评价曲线(2行驶平顺性模型机器人移动过程中，车体中心点的高度丫 (t也是一个随机过程，记作：丫 (t=(y (t 1,y (t 2,y (t n ,n =1,2,则高度丫 (t变化的离散程度可用二阶中心矩评

10、价：(T 2Y (t =EY (t -卩 丫 (t 2式中,卩丫 (为丫 (t的均值。同理，车体俯仰角a和翻滚角B的离散程度亦可采用其二阶中心矩进行评价，并分别记作c2a (t和CT2B (。另外,车体中心高度、俯仰角和翻滚角变化的一阶中心矩曲线也是空间探 测机器人行驶平顺性评价的重要依据。(3越障性能模型基于一致性约束，质量与功率参数一定，则越障性能的高低可简 化为直接采用机器人所能越过的垂直障碍的高度 h来评价。h越大,其越障性能越 好。05?2.2虚拟样机分析及评价步骤(1虚拟样机建模月球车移动性能的虚拟样机模型包括虚拟地面环境模型、 月球车虚拟样机模型、地面与机器人轮胎相互作用模型、月

11、球车转向驾驶模型四部分组成。虚拟地面环境模型由一组模拟真实地面环境的三角网格组成，根据已有月球地形知识，设置有25°斜坡、1520cm高的障碍以及直径约为0.5m的火山口等非结构 化形体。月球车虚拟样机模型包括车体、悬架、轮系等子模型，每一模型均由构件、约束和力三部分组成。采用 ADAMS/Tire模块建立地面与机器人轮胎相互作 用模型，并设置轮胎与地面作用的静摩擦、动摩擦、弹性模量、滑动系数等接触力 参数，部分参数设置如表1所示。月球车转向驾驶模型通过控制 4个角轮的转向、 各轮系的行驶线速度等方法约束月球车的运动，实现预定的运行轨迹。表1地面与机器人轮胎相互作用参数冲击力参数摩擦

12、力参数刚度k(105N/mm1.0静摩擦因数f s0.7阻尼n (N? s/mm10.0动摩擦因数f d0.4冲击力指数S 2.静摩擦转换速度vs(mm/s0.1可穿透深度h p(mm0.1动摩擦转换速度1994-21110 Om Afternicv d(mm/s1.0(2运行虚拟样机进行仿真分析(31994-2010China. Acadcznic Journal Electronic Pubiishing Houc. All rights reserved* htipVfwww.criki Jier依据数学模型建立虚拟样机评价曲线利用 ADMAS/PopqbjhM-uijrr'ii

13、QTQT1W1呼呼 沪円單）1111 童 H019' VII 斗钠* ix»ucqrIdMOlOst Processor模块绘制输出探测机器人的自适应评价曲线、行驶平顺性评价曲 线和越障性能评价曲线。主要包括车轮与地面接触力的一阶和二阶中心矩两组曲线 车体中心高度、俯仰角和翻滚角的一阶和二阶中心矩6组曲线，越障性能表现为最大越障高度。(4试验设计研究 利用ADMAS试验设计功能,对月球车虚拟样机模型的设计 变量进行优化，得到优化设计参数。3仿真结果经基于虚拟样机技术的机器人移动性分析及评价，认为图2所示的双曲柄联动 扭杆悬架为相对较优的方案，其部分移动性评价结果如图5图7所示

14、。可以看出，在 行驶过程中，双曲柄联动扭杆悬架的车轮随地面颠簸很大，而车体却很平顺，如图5所 示。除少数因车轮与地面冲击接触力发生突变外，接触力变化也很小，如图6所示。在越110mm高的碍障时（图7,车体高度变化也小于12.5mm（图5,车体的高度曲线相 当平滑。仿真结果表明，双曲柄滑块联动悬架对地面高度的变化具有相当好平滑作用，车 体行驶车体具有良好的平顺性和地面自适应能力。1. 左前轮中心高度2. 左中轮中心高度3. 左后轮中心高度4. 右后轮中心高度5. 右前轮中心高度6右中轮中心高度7.车体中心高度图5车体平顺性图6车轮与地面接触力图7越障性能评价4结论本文以轮式月球车为研究对象，提出

15、了三摇臂月球车悬架和双曲柄滑块联动扭 杆悬架两种新型月球车悬架系统，采用虚拟样机技术从地面自适应性、行驶平顺 性、越障性等方面对其移动性能进行动力学分析。仿真结果表明，双曲柄联动扭杆悬架具有很好的移动性能。参考文献：1 Y oji Kuroda,K oji K on do,Kazuaki Nakamura,etal.Low Power Mobility System for Micro Pla neta2ry Rover Micro5 ' .Fifth International Symposiumon Artificial Intelligence,Robotics and Auto

16、mation?15?in Space,Noordwijk,Netherla nds,19992邓宗全，高海波，胡明，等.行星越障轮月球车的设计哈尔滨工业大学学报，2003,35(3,203213 3刘方湖，马培荪,曹志奎，五轮铰接 式月球机人的运动学建模机器人.2001,23(6:4814924 Bickler D.A New Family of J PL Pla netary SurfaceVehicles.Missio n,Tech nologies,a nd Desig n ofPla netary Mobile Vehicles.Toulouse:Cepadues-Editio ns,

17、19925 Grove O.A Descriptio n of the Rover Sojourner.ht2tp:/marsprogram.jpl. /MPF/rover/so2journer.html,1996（编辑郭伟作者简介：尚建忠，男,1966年生。华中科技大学机械科学与工程学院博士研究生,国防科学技术大学机电工程与自动化学院副教授。主要研究方向为机器人学、数字 化设计技术。罗自荣，男,1974年生。国防科学技术大学机电工程与自动化学院讲 师。张新访，男,1965年生。华中科技大学机械科学与工程学院教授、博士研究生导 师。基于图的注塑产品侧凹特征识别技术的研究召E健吕

18、震柯映林浙江大学，杭州,310027摘要:提出一种基于图的注塑产品侧凹特征识别方法：首先将产品属性面邻 接图中的节点和边进行属性扩展，以形成产品的扩展属性面邻接图；在此基础上，应用 扩展属性面邻接图对凹、凸及通孔三种类型的侧凹特征进行描述，并采用子图匹配的方式将侧凹特征的子图从产品属性面邻接图中识别出来；对于识别出的侧凹特征， 特征方向可采用可视图的方法确定，并通过分析识别出的侧凹特征的特征方向来最 终确定产品的优化脱模方向。实例测试表明，该侧凹特征识别方法可以有效地识别 注塑产品中的侧凹特征，提高侧凹特征的识别效率。关键词:注塑产品;侧凹特征;特征识别；脱模方向中图分类号:TP391.72文

19、章编号：1004-132X(200601-0052-04R esearch on G raph-based R ecog niti on of U n dercut Features from Molded PartShao Jia n L u Zhe n Ke Y in glinZhejiang Un iversity,Ha ngzhou,310027Abstract:A new grap h-based recog niti on met hod of un dercut feat ures from molded part was pro2 posed.Att ributes of no

20、de and edge in Face Adjace ncy Attribute Grap h(FAA Gwere exte nded to form Exte nded Face Adjace ncy Att ribute Grap h(EFAAG.Based o n t hese t heories,c on cave,c on vex and t hrough un dercut feat ures were defi ned accord in gly and sub-grap hs of t he un dercut feat ures were recog ni zed from EFAA G of t he molded part by grap h matchi ng.Feat ure orie ntatio n of each recog ni zed un dercut feat ures was determ ined by visibility map and optimized part ing direct ion was cho sen from t hese feat ur