王 偉，李超藝，劉九慶，宋嘉洛，吳海超

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引言

地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人作為一種新型農(nóng)業(yè)信息采集裝備，同時(shí)具備飛行、行走兩種運(yùn)動(dòng)方式。行走機(jī)構(gòu)作為整個(gè)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，既要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走功能，又要對(duì)飛行機(jī)構(gòu)起到支撐定位的作用進(jìn)而保證機(jī)器人在地形較為復(fù)雜的農(nóng)田中起飛、降落的平穩(wěn)。行走機(jī)構(gòu)性能的優(yōu)劣直接影響了機(jī)器人采集信息的能力。機(jī)器人行走的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性是考察其行走性能的重要指標(biāo)。

目前，針對(duì)行走性能的分析問(wèn)題，主要借助于計(jì)算機(jī)仿真分析技術(shù)。西北農(nóng)林科技大學(xué)的薛雪利用有限元分析的原理建立了輪胎與土壤接觸的三維有限元模型，對(duì)輪胎變形量和土壤下陷量進(jìn)行了研究，為車(chē)輛性能改進(jìn)提供了可靠依據(jù)[1]。西北農(nóng)林科技大學(xué)的倫佳琪利用輪胎-土壤的有限元模型，對(duì)不同工況下二者接觸區(qū)域的變化進(jìn)行了研究，得到了胎壓與載荷的關(guān)系[2]。南昌大學(xué)的黃杰文利用柔性多體動(dòng)力學(xué)仿真原理對(duì)雙橫臂懸架仿真模型進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了仿真模型的動(dòng)特性與樣車(chē)懸架動(dòng)特性的一致性[3]。廣東工業(yè)大學(xué)的王行利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)對(duì)方程式賽車(chē)的輪胎定位參數(shù)進(jìn)行了研究，使前懸架的運(yùn)動(dòng)特性得到有效的提升[4]。

地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人的工作環(huán)境是在地形較為復(fù)雜的農(nóng)田中，因此在行走時(shí)極易受到溝壑引起的沖擊載荷。沖擊載荷會(huì)引起懸架結(jié)構(gòu)的變形，輪胎定位參數(shù)也隨之變化，從而影響到機(jī)器人在農(nóng)田中行走的穩(wěn)定性。機(jī)器人具備行走和飛行兩種運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)還要搭載信息采集系統(tǒng)，因此機(jī)器人本體質(zhì)量比較大。又由于農(nóng)田土壤土質(zhì)較為松軟，輪胎極易陷入土壤中，進(jìn)而使機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性降低。針對(duì)以上兩個(gè)對(duì)機(jī)器人行走性能產(chǎn)生負(fù)面影響的因素，建立了輪胎-土壤力學(xué)模型及機(jī)器人前懸架動(dòng)力學(xué)仿真分析模型，并分別進(jìn)行了有限元仿真分析和動(dòng)力學(xué)仿真分析。

1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人主要包括行走機(jī)構(gòu)、飛行機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及信息采集系統(tǒng)4個(gè)部分，如圖1所示。

1.行走機(jī)構(gòu) 2.飛行機(jī)構(gòu) 3.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 4.信息采集系統(tǒng)

其各部分功能如表1所示。

表1 機(jī)器人各部分功能Table 1 Function of each part of robot

2 輪胎-土壤相互作用有限元仿真分析

2.1 輪胎-土壤力學(xué)模型建立及參數(shù)確定

輪胎-土壤模型如圖2所示，具體尺寸參數(shù)如表2所示。

圖2 輪胎-土壤模型Fig.2 Tire-soil model

表2 輪胎-土壤模型相關(guān)參數(shù)Table 2 Tire-soil model parameters

2.2 輪胎-土壤相互作用有限元分析

打開(kāi)SolidWorks/Simulation插件，建立新算例。添加約束時(shí)，在土壤模型底面和輪胎模型輪轂處添加固定鉸鏈約束。采用實(shí)體網(wǎng)格劃分，為了使仿真分析精度提高，選擇高品質(zhì)網(wǎng)格。由于輪胎與土壤接觸部位容易產(chǎn)生較大應(yīng)力設(shè)置較大密度網(wǎng)格，其余部分設(shè)置較小密度網(wǎng)格，這樣不但可以提高仿真分析精度，而且可以控制計(jì)算規(guī)模，減少仿真分析時(shí)間。網(wǎng)格后的輪胎-土壤模型如圖3所示。

圖3 輪胎-土壤有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Tire-soil finite element mesh model

機(jī)器人在農(nóng)田中工作時(shí)，如果機(jī)器人輪胎對(duì)土壤的載荷超過(guò)土壤的屈服強(qiáng)度，易使輪胎陷入土壤中無(wú)法進(jìn)行正常工作，因此選擇土壤的屈服強(qiáng)度10MPa作為有限元分析邊界條件。

2.2.1 靜止時(shí)輪胎-土壤相互作用有限元分析

靜止?fàn)顟B(tài)下，由于機(jī)器人本體質(zhì)量，輪胎向土壤施加的壓力載荷分布如圖4所示。

圖4 靜止時(shí)輪胎-土壤載荷分布Fig.4 Tire-soil load distribution at rest

機(jī)器人同時(shí)具備飛行、行走兩種運(yùn)動(dòng)方式，本體質(zhì)量較大，因此靜止?fàn)顟B(tài)下輪胎向土壤施加的壓力確定為40N。利用Simulation插件對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，其應(yīng)力分布、位移分布情況如圖5、圖6 所示。

圖5 靜止時(shí)輪胎-土壤應(yīng)力分布Fig.5 Tire-soil stress distribution at rest

圖6 靜止時(shí)輪胎-土壤位移分布Fig.6 Tire-soil displacement distribution at rest

由圖5可以看出：應(yīng)力的主要分布區(qū)域?yàn)檩喬ヅc土壤接觸的區(qū)域，最大的應(yīng)力為0.054MPa。由圖6可以看出：輪胎位移和土壤位移都集中在兩者接觸的區(qū)域，并隨著離接觸區(qū)的距離增大逐漸減小，最大位移為5.12mm。

2.2.2 行進(jìn)過(guò)程中輪胎-土壤相互作用有限元分析

行進(jìn)瞬時(shí)狀態(tài)下，由輸出軸給輪胎的轉(zhuǎn)矩、輪胎向土壤施加載荷分布如圖7所示。

圖7 行進(jìn)中輪胎-土壤載荷分布Fig.7 Tire-soil load distribution during walking

機(jī)器人在農(nóng)田中行走時(shí)需要克服較大的地面阻力，因此輪胎向土壤施加的轉(zhuǎn)矩確定為25N/m。利用Simulation插件對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，其應(yīng)力分布、位移分布情況如圖8、圖9所示。

圖8 行走時(shí)輪胎-土壤應(yīng)力分布Fig.8 Tire-soil stress distribution during walking

圖9 行走時(shí)輪胎-土壤位移分布Fig.9 Tire-soil displacement distribution during walking

由圖8、圖9中可以看出：輪胎前進(jìn)方向一側(cè)土壤應(yīng)力較大，最大的應(yīng)力為1.12MPa；輪胎前進(jìn)方向一側(cè)土壤位移較大，最大位移為10.63mm。

2.3 有限元仿真結(jié)果分析

通過(guò)以上有限元仿真分析，可以得到不同載荷下輪胎-土壤相互作用的應(yīng)力、位移值，結(jié)果如表3所示。

表3 靜力學(xué)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Table 3 Static simulation result data

通過(guò)比較機(jī)器人靜止、行進(jìn)時(shí)的應(yīng)力值及位移值，可以看出：當(dāng)重力為40N、扭矩為25N/m時(shí)，土壤應(yīng)力值最大為1.12MPa，小于土壤的屈服強(qiáng)度10MPa。因此，輪胎不會(huì)陷入土壤中，使機(jī)器人具有較高的環(huán)境適應(yīng)性。

3 前懸架動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 懸架結(jié)構(gòu)仿真分析模型建立

機(jī)器人地面行走機(jī)構(gòu)懸架采用雙橫臂獨(dú)立式懸架，其空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示。

1.機(jī)架 2.懸架上橫臂 3.懸架下橫臂 4.內(nèi)轉(zhuǎn)向節(jié) 5.外轉(zhuǎn)向節(jié) 6.橫拉桿 7.拉臂

該結(jié)構(gòu)由7個(gè)構(gòu)件組成，包括機(jī)架、懸架上橫臂、懸架下橫臂、內(nèi)轉(zhuǎn)向節(jié)、外轉(zhuǎn)向節(jié)、橫拉桿及拉臂。

基于柔性多體動(dòng)力學(xué)分析原理，建立了機(jī)器人地面行走機(jī)構(gòu)懸架動(dòng)力學(xué)仿真模型，如圖11所示。

圖 11 懸架仿真分析模型Fig.11 Suspension simulation analysis model

創(chuàng)建模型時(shí)，假設(shè)所有模型都是剛體，各部件之間的摩擦力忽略不計(jì)，輪胎簡(jiǎn)化為剛性體。由于懸架結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)于機(jī)器人的縱向平面，因此創(chuàng)建1/2的模型來(lái)進(jìn)行分析。此模型共包括7個(gè)活動(dòng)構(gòu)件、4個(gè)旋轉(zhuǎn)副、4個(gè)球副、1個(gè)移動(dòng)副、1個(gè)點(diǎn)-面接觸副。7個(gè)活動(dòng)構(gòu)件分別為上橫臂、下橫臂、內(nèi)轉(zhuǎn)向節(jié)、外轉(zhuǎn)向節(jié)、拉臂、橫拉桿及測(cè)試平臺(tái)。懸架約束位置如表4所示。

表4 懸架約束位置Table 4 Suspension constraint position

3.2 懸架結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

為了模擬輪胎遇到障礙物或農(nóng)田溝壑引起的沖擊載荷，給試驗(yàn)臺(tái)施加一個(gè)正弦運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，激勵(lì)方程為F=30×sin(360°×time)。由于懸架結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)，只顯示了右側(cè)懸架的各參數(shù)。

輪胎外傾角是指輪胎旋轉(zhuǎn)平面與縱向垂直平面形成的一個(gè)夾角，主要作用是使輪胎磨損均勻及減小滾動(dòng)阻力；但過(guò)大的外傾角，會(huì)使輪胎產(chǎn)生偏磨損。輪胎外傾角的變化曲線如圖12所示。一般要求輪胎上下跳動(dòng)時(shí)，外傾角變化在2°以內(nèi)。由表2可以看出：輪胎外傾角變化范圍為0°～1.86°,變化量為1.86°,在允許范圍內(nèi)，有效地減小了輪胎的滾動(dòng)阻力，并使其磨損均勻。

圖12 外傾角變化曲線Fig.12 Camber change curve

主銷(xiāo)后傾角是指在縱向垂直平面內(nèi)，主銷(xiāo)軸線與垂線之間的夾角，主要作用是形成回正力矩及抑制點(diǎn)頭；但也不宜過(guò)大，否則會(huì)造成轉(zhuǎn)向困難。主銷(xiāo)后傾角的變化曲線如圖13所示。一般要求輪胎上下跳動(dòng)時(shí)，主銷(xiāo)后傾角變化在2°～3°以內(nèi)。由表2可以看出：主銷(xiāo)后傾角的變化范圍為2.86°～2.88°,變化量為0.02°,在允許范圍內(nèi)，既形成了回正力矩，又起到了抑制點(diǎn)頭的作用。

圖13 主銷(xiāo)后傾角變化曲線Fig.13 Kingpin caster angle change curve

主銷(xiāo)內(nèi)傾角是指在橫向垂直平面內(nèi)主銷(xiāo)軸線與垂線之間的夾角，主要作用是使車(chē)輪自動(dòng)回正，保持行駛的直線穩(wěn)定性，以免發(fā)生跑偏。主銷(xiāo)內(nèi)傾角的變化曲線如圖14所示。一般要求輪胎上下跳動(dòng)時(shí)主銷(xiāo)內(nèi)傾角變化在3° 以內(nèi)較為合理。由表2可以看出：主銷(xiāo)內(nèi)傾角的變化范圍為8.53°～10.8°,變化量為2.27°,在允許范圍內(nèi)，使輪胎能夠自動(dòng)回正，保持直線行駛的穩(wěn)定性。

輪胎跳動(dòng)時(shí)，左右輪距必然發(fā)生變化，由于輪胎的橫向滑移，導(dǎo)致輪胎磨損，降低了輪胎的使用壽命。輪距的變化曲線如圖15所示。一般要求輪胎上下跳動(dòng)時(shí)，輪距變化在10mm 以內(nèi)較為合理。由表2可以看出：輪距的變化范圍為0～9.4mm,變化量為9.4mm,在允許范圍內(nèi)，有效降低了輪胎磨損，提高了輪胎的使用壽命。

圖14 主銷(xiāo)內(nèi)傾角變化曲線Fig.14 Kingpin inclination angle change curve

圖15 輪胎接地點(diǎn)側(cè)向滑移曲線Fig.15 Lateral slip curve of the tire ground point

3.3 懸架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析

通過(guò)以上運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，可以得到輪胎在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，輪胎定位參數(shù)的變化值，仿真結(jié)果如表5所示。

表5 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)Table 5 Dynamic simulation result data

由表5可以看出：輪胎上下跳動(dòng)時(shí)，各參數(shù)變化范圍均在合理范圍內(nèi)，保證了機(jī)器人行走時(shí)的穩(wěn)定性。

4 樣機(jī)行走試驗(yàn)

為了保證行走機(jī)構(gòu)搭載飛行機(jī)構(gòu)和各種傳感器后，依然可以具備良好的行走性能和跨越溝壑的能力，進(jìn)行了智能溫室田間行走能力測(cè)試。結(jié)果表明：負(fù)載后的行走機(jī)構(gòu)依然具有良好的行走性能，可以滿足整機(jī)實(shí)現(xiàn)田間行走的所有功能要求。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 行走試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Walking Test Data

5 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)輪胎-土壤的相互作用力學(xué)模型進(jìn)行有限元仿真分析可以看出：無(wú)論機(jī)器人處于靜止?fàn)顟B(tài)，還是行走狀態(tài)，其輪胎都不會(huì)陷入土壤中。

2)對(duì)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)前懸架模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析可以看出：在機(jī)器人受到不平路面引起的沖擊載荷時(shí)，采用雙橫臂獨(dú)立式懸架結(jié)構(gòu)可以減小機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的輪胎定位參數(shù)的變化，從而提高了機(jī)器人在農(nóng)田中行走的穩(wěn)定性。