二级半转机构运动特性分析与运动构型研究

二级半转机构运动特性分析与运动构型研究

0复杂地形下的仿真研究由于良好的动能和路面适应性，车轮压裂试验车辆能够在平坦的或缓慢的路面环境下行驶，且其效率不会显著下降。与车轮、履带等的提升方法相比，它具有独特的优势。已有的轮腿式探测车主要采用轮式和腿式相混合的可变换机构,根据地形需要,采取轮式驱动或腿式行走,如日本Tohoku大学研制的ChariotII探测车、哈尔滨工业大学WANG等研制的HITAN系列轮—腿复合式移动平台和北京航空航天大学丁希仑等提出的轮腿式变结构探测车,但它们的结构与控制往往比较复杂。为了使轮腿式探测车能够适应复杂地形路面,往往采用仿生学设计理念来研究其轮腿构型。依照动物腿部运动原理,通过模仿动物的移步行走,来满足在恶劣地面环境下的作业需求。美国凯斯西储大学HARKINS等提出的仿蟑螂机器人、哈尔滨工程大学王立权等提出的八足仿生机器蟹、北京航空航天大学王田苗等提出的仿壁虎机器人、清华大学江励等提出的5自由度仿生攀爬机器人以及中国科学院沈阳自动化研究所YE等提出的仿蛇形机器人,它们具有良好的地形适应性和稳定性。然而,它们的腿结构大多属于单纯的“形仿”,即模仿动物肢体结构关节,并倾向于对动物步行所有动作的模仿,这不仅导致腿机构复杂化,且其在复杂地形下的步态规划也变得很困难。作者所在研究团队提出了一种可以模拟动物肢体运动的不对称性,实现步行运动效果的二级半转机构。本文从机构运动步态和杆件几何约束角度分析了二级半转机构的运动耦合关系和固有运动特性,在此基础上设计了两种用于探测车上的轮腿机构构型方案。1动物肢体运动的“神仿”设计动物飞行、游动、奔跑时虽然其肢体运动的形式各有不同,但是本质上都属于“不对称摆动”,如鸟翼下扑与上举运动、马腿后蹬与前伸运动等。其中摆动是适应肌肉特点的运动形式,而运动的不对称是产生上升或前进运动效果的必要条件。仿生机构设计不仅要“形仿”,更重要的是“神仿”,即仿生机构的设计重点应该是模仿动物肢体运动的效果,且这种运动效果又便于采用转动电动机来驱动。二级半转机构是一种可以模拟动物肢体运动不对性且能够产生步行运动效果的转动机构,它由一级转臂、二级转臂和两个跨步杆组成,如图1所示。其一级转臂的一端与主轴相连,另一端通过转动副与二级转臂中心相连;而在二级转臂的两端各装有一跨步杆,它们通过转动副连接,且两跨步杆始终处于相互垂直位置。主轴与跨步杆之间可以通过齿轮或同步带来传递驱动力矩。随着一级转臂绕主轴转动,两个跨步杆分别从上端的水平位置转到下端的铅垂位置。当一级转臂转动θ角时,二级转臂转动θ/2角,而跨步杆转动θ/4角,且跨步杆在上半周与下半周的运动不同。当电动机通过主轴带动一级转臂转动时,两个跨步杆依次与地面接触,就可以实现步行运动效果,图1中双点画线部分为二级半转机构的另一个动作位置。2分析第二个半转机构的运动特性2.1旋转中心旋转方向要使二级半转机构产生正确的步行运动效果,其各转臂和跨步杆之间的运动必须满足一定的耦合关系,即一级转臂、二级转臂和跨步杆三者之间的旋转中心(旋转关节)相对角速度的比值为4:2:1,又要保证其转动方向的正确性。下表为二级半转机构各关节旋转中心转速方向几种可能的组合方案(仅以一级转臂顺时针旋转为例)。通过COSMOSMotion仿真可知,当一级转臂绕主轴旋转θ角时,二级转臂相对于一级转臂向相反方向旋转θ/2角,两跨步杆相对于二级转臂同向旋转θ/4角,即采用上表中的组合方案1,二级半转机构可以产生正确的步行运动效果。2.2级转臂o3点坐标的计算以二级半转机构的主轴处(图2中O点)为原点建立坐标系Oxy,x轴与二级转臂O1O2初始状态平行,y轴负半轴与一级转臂OO3初始位置重合。跨步杆1和跨步杆2的初始状态分别与x轴成45°与135°,O1和O2分别是跨步杆1和跨步杆2的对称转动关节中心。令一级转臂OO3=L1,二级转臂O1O2=2L2。当一级转臂OO3逆时针转动任意角θ时,根据二级半转机构的运动特点,二级转臂O1O2则绕其旋转中心O3转动θ/2,跨步杆1和跨步杆2则绕其各自旋转中心同向转动θ/4,令此时O1O2所在直线与y轴交于H点。则O3点坐标可表示为式中——O3点的x坐标——O3点的y坐标二级转臂O1O2所在的直线方程式为式中,为二级转臂O1O2所在直线斜率。由图2中的几何关系,可以求出二级转臂O1O2所在直线方程与y轴的交点H的y坐标值式中,yH为H点的y坐标。联立式(1)、(3)、(4)得由式(5)可知:在二级半转机构运动过程中,二级转臂O1O2所在直线与y轴的交点(H点)位置不变,即H点为二级转臂的运动驻点。若以二级半转机构的主轴O点为圆心,一级转臂OO3长为半径作一级转臂的瞬时轨迹圆,不难发现H点始终位于该圆的最下端。也就是说,在二级半转机构运动过程中,二级转臂所在直线始终通过一级转臂瞬时轨迹圆的最低点。根据这一特性,可以方便、准确地绘制出任意时刻二级转臂实际运行位置,为机构的瞬时步态和动力学分析提供理论支持。2.3级半转机构运动驻点如图2所示,二级半转机构的两跨步杆在任意时刻始终处于垂直状态,将其垂足标记为F点。当一级转臂OO3转动θ角度时,跨步杆1的转动关节中心O1点的位置方程式为式中——O1点的x坐标——O1点的y坐标跨步杆2的转动关节中心O2点的位置方程式为式中——O2点的x坐标——O2点的y坐标跨步杆1和跨步杆2所在直线方程式的斜率为由图2可知:跨步杆1和跨步杆2所在直线方程式分别为联立式(9)、(10)可求出跨步杆1和跨步杆2所在直线的垂足F点的位置方程式为式中xF——F点的x坐标yF——F点的y坐标则FO3在x轴上的投影长度将式(1)、(6)~(8)、(11)代入式(12),并化简得由式(13)可知:F点与一、二级转臂的铰链中心O3点的连线FO3在x轴上的投影长度为0,即FO3∥y轴。同理,FO3在y轴上的投影长度将式(1)、(6)~(8)、(11)代入式(14),并化简得由式(15)可知,FO3长度为二级转臂长的一半。综上,在二级半转机构运动过程中:(1)两跨步杆始终垂直,其垂足F始终位于以二级转臂旋转中心O3点为圆心、二级转臂为直径的瞬时轨迹圆的最高点,即垂足F为跨步杆的运动驻点;(2)两跨步杆垂足F与二级转臂旋转中心O3点的连线FO3始终与y轴平行且长度为二级转臂长的一半,称FO3为二级半转机构的固有运动特征线,它仅作平移运动。3设计二级半旋转脚结构3.1转向倾斜防护结构的设计方案3.1.1电机和转向电机基于二级半转机构中各杆的运动耦合关系,设计出一种用于探测车上的同侧偏置式轮腿机构,其机构原理如图3所示。轮腿支架和安装支架用于将轮腿机构与探测车车体相连,在轮腿支架上装有驱动电动机和转向电动机,驱动电动机到主轴采用一级齿轮减速传动,以提高轮腿机构的承载能力。主轴到跨步杆之间采用由两个行星轮系串联构成的二级半转机构,其中一级转臂和二级转臂分别是所在行星轮系的行星架,同时它们又是转臂箱体,且Z5=2Z3,Z9=2Z6。根据行星轮系传动比相关计算公式可得式中——一级转臂、二级转臂和跨步杆的角速度——齿轮3、5、6、9的角速度Z3,Z5,Z6,Z9——齿轮3、5、6、9的齿数联立求解式(16)~(18),可知一级转臂、二级转臂和跨步杆三者之间的角速度比值为4:2:1,满足二级半转机构的传动特性。3.1.2级转臂协同推动分析图3所示的偏置式轮腿机构采用同侧布置各杆件,一级转臂和二级转臂不会干涉,且它们均不会与跨步杆干涉,故仅考虑两跨步杆的干涉问题。若二级转臂O1O2固定,两跨步杆分别绕各自旋转中心转动,其运动轨迹为2个圆面,两者重叠部分则代表可能发生干涉的区域,如图4的阴影区域。以二级转臂O1O2所在直线为x轴,O1O2的中点为原点建立直角坐标系。设二级转臂O1O2长度为2L2,宽度为H2,跨步杆的长度为2L3,下面分两种情况进行干涉分析,并忽略轮腿跨步杆端部尺寸影响。(1)当2L3>2L2时的干涉分析。由于两跨步杆转速相同,分别绕各自旋转中心转动,其发生干涉的临界条件是:跨步杆1刚进入阴影区,而跨步杆2则刚好离开阴影区,即两跨步杆的端点A、B在阴影临界处重合,如图4所示。由于O1A=O2B=L3,故△O1A(B)O2为等腰直角三角形,即,故其不发生干涉的条件是(2)当2L3<2L2时的干涉分析。当2L3<2L2时,两跨步杆的运动轨迹不会发生重叠,即不会造成两跨步杆的干涉;但是,当跨步杆的长度小于二级转臂的宽度(即2L3<H2)时,会发生二级转臂触地干涉,则二级半转机构无法实现步行效果。综上分析,在忽略轮腿跨步杆端部尺寸影响前提下,同侧偏置式轮腿机构不发生干涉且满足步行要求的条件是3.1.3地面转向方案同侧偏置式轮腿机构构型方案特点是:由于采用同侧偏置式布置,各杆件不易干涉;整个轮腿机构安装在轮腿支架上,便于布置驱动电动机和转向电动机,采用独立驱动和独立转向;采用原地转向方案,即当探测车的轮腿跨步杆处于竖直位置时停止前进,由转向电动机驱动轮腿机构实现原地转向,且由于转向电动机轴线与跨步杆轴线同轴,转向时所需的转动力矩很小。但其也存在着质量偏心、行走速度受杆件运动耦合制约的不足。3.2两侧块结构的双结构3.2.1级转臂2、11对称中心旋转式结构的设计根据二级半转机构固有的运动几何特性,提出一种改进型二级半转轮腿机构——双侧分置式轮腿机构构型,如图5所示。该构型方案依然保留图4中的一级转臂及其传动方式。与同侧偏置式轮腿机构不同的是,双侧分置式轮腿机构在轮腿支架5两侧对称安装两个一级转臂3、12,它们的一端安装在轮腿支架上,通过电动机4同时驱动,另一端各自通过转动关节与二级转臂2、11的一端相连。二级转臂2、11仅为偏置式二级转臂的一半且其内部没有任何传动零件,因此由二级转臂引起的偏心质量将大大降低。二级转臂2、11的另一端分别与跨步杆1、10的对称中心以转动副相连,显然,跨步杆1、10随二级转臂分布在轮腿支架的两侧,避免了两者的运动干涉。曲柄7、连杆8、一级转臂12和轮腿支架5共同构成双曲柄四杆机构,曲柄7和一级转臂传动系中心距等长并与一级转臂平行安装,从而保证连杆8始终处于铅垂状态。通过双曲柄四杆机构来保证连杆8的运动规律与二级半转机构的固有特征线完全相同,始终保证两条跨步杆的平面投影相交点(铰式滑块9)与二级转臂铰链中心的距离等于二级转臂的长度(即特征线长度),因此双侧分置式轮腿机构的连杆8实质上是特征线的杆件呈现。连杆8上安装有铰式滑块9,该滑块在跨步杆的滑槽内滑动,实现跨步杆与二级转臂转速的二倍耦合关系。需要指出的是,与一级转臂相同,曲柄和连杆也成对地对称安装在轮腿支架的两侧。由上可见,双侧分置式轮腿机构两个二级转臂的转动分别由对应的一级转臂输出轴直接驱动,跨步杆的转动则由曲柄和一级转臂的转动、连杆的平动和铰式滑块的滑动等运动综合作用形成。3.2.2级转臂机构设计与同侧偏置式轮腿机构相比,双侧分置式轮腿机构构型方案具有以下特点:二级转臂内部没有传动零件,偏心质量小;采用双侧分置式布置,各杆件不易干涉,且跨步杆长度不受限制,轮腿的跨距大。其不足是机构的转向能力不足,转向时力矩大;另外,需要增加曲柄和连杆,机构的杆件较多。4轮材运动学仿真由于偏置式和分置腿式轮腿机构均基于二级半转机构运动特性,其运动仿真结果类似,仅以偏置式轮腿机构为例进行虚拟样机运动仿真。在满足机构不发生干涉和行星轮系齿轮传动要求的情况下,取轮腿机构的一级转臂长L1=69.75mm,二级转臂长2L2=207mm,跨步杆长2L3=260mm。在COSMOSMotion中定义机构各关节旋转中心的角速度运动耦合关系,进行机构的运动仿真,获得轮腿机构各关节旋转中心在垂直方向的运动轨迹曲线,如图6所示。其中,图6a中的一级转臂旋转中心的垂直位移曲线就相当于二级半转轮腿机构车身的垂直起伏曲线,图6b中的二级转臂旋转中心的垂直位移曲线相当于一级半转轮腿机构车身的垂直起伏曲线,前者比后者曲线平缓许多。根据仿真结果,一级转臂旋转中心(主轴轴线位置)离地面距离的最大值为210.5mm,最小值为173.8mm,则该轮腿机构车身的上下起伏度约为36.7mm。可见,二级半转轮腿机构的车身上下起伏度比较小,可以满足探测车步行的机动性要求。5轮材机构试样检测为了验证基于二级半转机构运动特性的轮腿机构的动态性能,研制了一套二级半转轮腿机构性能试验台,它由底座1、模拟土槽2、轮腿机构样机3、轮腿支架4、竖直导轨5、水平导轨6、测力传感器及其支架7、土槽升降机构8构成,如图7所示。由于二级半转轮腿机构向前跨步过程中,具有上下起伏运动特点,为此采用空间上相互垂直的竖直导轨5和水平导轨6来引导其完成跨步动作。试验时,由计算机通过MCBL2805驱动器来控制轮腿样机的驱动电动机,继而控制轮腿机构的运动。针对平地行走、爬坡和垂直越障等典型工况,进行了轮腿机构样机行走试验。结果表明,该二级半转轮腿机构样机的动态运动性能良好,其主要性能指标:轮腿上下起伏度约为37mm,垂直越障高度约为300mm,爬坡角度约为25°。6级半转轮臂机构轮纹机构主要技术特点(1)分析了二级半转机构的运动几何特性,在此基础上设计出两