两种轮式月球车悬架方案及其虚拟样机仿真_图文

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 Kinds of Wheeled Lunar R over Su

2、spension Scheme &Their Virtual Prototype SimulationShang Jiangzhong 1,2L uo Ziro ng 2Zhang Xingfan 11.Huazhong University of Science and Engineering ,Wuhan ,4300742.National University of Defense Technology ,Changsha ,410073Abstract :Two new suspension systems named Three -Rocker suspension and

3、Two -Crank -Sli 2der Rocker suspensio n were proposed respectively.Virt ual Prototype was used to evaluate t heir self -adaptive contact ,running smoot hness and over -obstacle ability.Simulation result s show t hat Two -Cam -Rocker suspension based lunar rover owns better mobility.K ey w ords :luna

4、r 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

5、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

6、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2×4(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。94如图2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

7、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。 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

8、降,中间轮提升,如图3b 所示。后 (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。(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4

9、a ,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Y (t 也是一个随机过程,记作:Y (t =(y (t 1,y (t 2,y (t n ,n =1,2,则高度Y (t 变化的离散程度可用二阶中心矩评价:2Y (t =EY (t -Y (t 2(2式中,Y (t 为Y (t 的均值。同理,车体俯仰角和翻滚角的离散程度亦可采用其二阶中心矩进行评价,并分别记作2(t

10、 和2(t 。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。052.2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

11、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力参数 (2运行虚拟样机进行仿真分析(3 依据数学模型建立虚拟样机评价曲线利用ADMAS/Po st 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

12、。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。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12.5m

13、m(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。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:1Y oji Kuroda,K oji K ondo,Kazuaki Nakamura,etal.Low Power Mobility System f

14、or Micro Planeta2ry RoverMicro5.Fifth International Symposiumon Artificial Intelligence,Robotics and Automation15in Space,Noordwijk,Netherlands,1999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(6:4814924Bickler D.A New Family of J PL Planetary SurfaceVehicles.Mission,Technolo

15、gies,and Design ofPlanetary Mobile Vehicles.Toulouse:Cepadues-Editions,1992journer.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邵健吕震柯映林浙江大学,杭州,310027摘要:提出一种基

16、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文章编号:1004-132X(200601-0052-04R e

17、search on G raph-based R ecognition of U ndercut Features from Molded PartShao Jian L u Zhen Ke Y inglinZhejiang University,Hangzhou,310027Abstract:A new grap h-based recognition met hod of undercut feat ures from molded part was pro2 posed.Att ributes of node and edge in Face Adjacency Attribute Gr

18、ap h(FAA Gwere extended to form Extended Face Adjacency Att ribute Grap h(EFAA G.Based o n t hese t heories,concave,convex and t hrough undercut feat ures were defined accordingly and sub-grap hs of t he undercut feat ures were recognized from EFAA G of t he molded part by grap h matching.Feat ure orientation of each recognized undercut feat ures was determined by visibility map and optimized parting direction was cho sen from t hese feat ure orientations.The case st udy shows t hat t h