蘭兆剛，張鴻洋，吳佳俊

基于臂式懸架的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

蘭兆剛，張鴻洋，吳佳俊

（武漢理工大學(xué) 國際教育學(xué)院，湖北 武漢 430070）

針對(duì)輪腿式機(jī)器人提出一種基于臂式扭轉(zhuǎn)型電磁主動(dòng)懸架的改進(jìn)設(shè)計(jì)模型，并針對(duì)其轉(zhuǎn)向能力差的問題，設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。首先，提出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，分析其結(jié)構(gòu)及工作原理；其次，建立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)傳動(dòng)關(guān)系和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向半徑關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行轉(zhuǎn)向特性分析；最后，應(yīng)用SolidWorks軟件建立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維模型，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果分析，得到其運(yùn)動(dòng)特性。

臂式扭轉(zhuǎn)型電磁主動(dòng)懸架；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；SolidWorks；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

1 引言

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，輪腿機(jī)器人逐漸成熟，輪腿機(jī)器人作為一種新型的移動(dòng)工作平臺(tái)，融合了輪式移動(dòng)的快速性和腿式移動(dòng)的多樣性，擁有著腿式機(jī)器人的高越障能力和對(duì)復(fù)雜環(huán)境的高適應(yīng)能力，同時(shí)兼?zhèn)漭喪綑C(jī)器人的高速靈活性能，被國內(nèi)外研究人士所青睞，被認(rèn)為是下一代高性能移動(dòng)機(jī)器人的重點(diǎn)研究方向。輪腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輪腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

然而，在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)階段多數(shù)車輛的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要采用梯形連桿機(jī)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使車身高度固定，且僅近似滿足輪轉(zhuǎn)向，不適用于安裝臂式懸架的輪腿式機(jī)器人，不滿足輪與縱臂同時(shí)轉(zhuǎn)向的要求。履帶式坦克的差速轉(zhuǎn)向應(yīng)用到臂式扭轉(zhuǎn)型懸架上所帶來的預(yù)期效果也有很大的不足。在車輪部位安裝轉(zhuǎn)向電機(jī)，具有占用更多空間、笨重、耗能多、需要安裝更多的控制單元等缺點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種與臂式懸架高度匹配的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行研究具有實(shí)際意義。

2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由懸架連接件、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和車身底盤構(gòu)成，懸架連接件通過旋轉(zhuǎn)軸柱與車身底盤的下端連接，電機(jī)固設(shè)于懸架連接件上，懸架連接件上設(shè)有齒輪，車身底盤上固設(shè)有齒圈，懸架連接件上的齒輪與齒圈嚙合，電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與齒輪連接，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使懸架連接件以旋轉(zhuǎn)軸柱為中心相對(duì)車身底盤旋轉(zhuǎn)，懸架連接件帶動(dòng)懸架縱臂相對(duì)車身底盤整體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向。

2.1 驅(qū)動(dòng)部分

伺服電機(jī)外圍安裝固定在連接件中層腔體中，減速箱下端部分由電機(jī)支座固定，轉(zhuǎn)向過程中，電機(jī)定子和外圍相對(duì)于車身轉(zhuǎn)動(dòng)，而內(nèi)部轉(zhuǎn)子相對(duì)于車身靜止，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

2.2 傳動(dòng)部分

帶傳動(dòng)部分包括1個(gè)小帶輪、2個(gè)大帶輪以及2根普通V形傳送帶，安裝在懸架連接件下層腔體中。小帶輪與電機(jī)輸入軸相連，2個(gè)帶輪布置在長方腔體兩端，要求小帶輪寬度至少是大帶輪的2倍，保證兩端V形傳動(dòng)帶有足夠的安裝空間和傳動(dòng)空間。腔體中兩端的大帶輪通過與齒輪軸相連帶動(dòng)柱體外兩端小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪與車身底盤內(nèi)齒輪圈相嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使行星齒輪帶動(dòng)整個(gè)懸架連接件以上層軸柱為旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。帶傳動(dòng)可防止轉(zhuǎn)向過載。

2.3 轉(zhuǎn)向部分

懸架連接件底部與懸架縱臂固定連接。懸架連接件呈階梯狀，內(nèi)部從下往上有3個(gè)相連的不同容積的腔體。下層為一定高度的長方體，其內(nèi)部腔體安裝帶傳動(dòng)，兩端上表面安裝著小齒輪；中層為雙圓弧邊的長方體，與車身中相對(duì)應(yīng)的圓形滑軌貼合，具有導(dǎo)向作用，柱體上表面與滑軌上表面又安裝著止推軸承的凹槽，其內(nèi)部腔體安裝固定伺服電機(jī)；上層為一根旋轉(zhuǎn)中心圓柱軸，與車身相連接，保證車身與懸架之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.4 定位部分

中心旋轉(zhuǎn)軸柱由一對(duì)角接觸球軸承軸向定位，保證車身與懸架之間軸向連接緊固，以及減弱高速轉(zhuǎn)彎時(shí)由于離心力而引起的側(cè)傾。止推軸承安裝在懸架連接件中層柱體上表面凹槽與車身圓形滑軌上表面凹槽之間，用以支撐和傳遞車身與懸架之間的各向力，大幅度減小轉(zhuǎn)向摩擦力，降低轉(zhuǎn)向電機(jī)的規(guī)格要求和成本。圓螺母和止推墊圈與中心旋轉(zhuǎn)軸柱露出車身底盤帶螺紋部分連接，保證車身與懸架之間緊固連接。

2.5 操控部分

視覺傳感器安裝在中心旋轉(zhuǎn)軸柱上端，可隨軸柱一同旋轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測車前路況。角度傳感器安裝在兩端小齒輪處上，測量兩側(cè)轉(zhuǎn)向角度，便于操縱者掌握轉(zhuǎn)向角度信息以根據(jù)視覺傳感器監(jiān)測的不同路況作出準(zhǔn)確調(diào)整。

3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型建立

3.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理如圖3所示。轉(zhuǎn)向部分由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、小帶輪、大帶輪、齒輪、內(nèi)齒圈組成，形成行星齒輪架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)懸架與車身之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)圖3所示可以得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和懸架轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。圖3中，1為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因剛性連接，也為小帶輪的轉(zhuǎn)速；2為大帶輪的轉(zhuǎn)速，因同軸連接，也為齒輪的轉(zhuǎn)速；3為內(nèi)齒圈的轉(zhuǎn)速，因內(nèi)齒圈與車身底盤固定，相對(duì)于懸架轉(zhuǎn)動(dòng)，也為懸架繞旋轉(zhuǎn)軸柱的轉(zhuǎn)速。

圖3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)原理圖

由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和帶傳動(dòng)之間的關(guān)系可知，大帶輪和齒輪的轉(zhuǎn)速為：

式（1）中：1為小帶輪半徑；2為大帶輪半徑。

由齒輪與內(nèi)齒輪的傳動(dòng)關(guān)系可知，懸架轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速為：

式（2）中：2為齒輪齒數(shù)；3為內(nèi)齒圈齒數(shù)。

由式（1）和式（2）可以得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和懸架轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

由此，可以得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)和懸架轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，為整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制提供了有效的依據(jù)。

3.2 輪腿式機(jī)器人轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

輪腿式機(jī)器人轉(zhuǎn)向如圖4所示。

圖4 輪腿式機(jī)器人轉(zhuǎn)向簡圖

輪腿式機(jī)器人行駛時(shí)繞轉(zhuǎn)向中心點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。車身長為，車寬與輪距為，懸架縱臂映射于水平地面的長為，當(dāng)懸架繞旋轉(zhuǎn)軸柱轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，車輪軸線夾角為。輪腿式機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)，若其車輪軸線能交于一點(diǎn)，則機(jī)器人在轉(zhuǎn)向時(shí)各車輪都會(huì)作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這樣能夠避免車輪輪胎與地面滑動(dòng)，減少輪胎磨損，延長輪胎的使用壽命。

由圖4可知，懸架轉(zhuǎn)角與車輪軸線夾角間的關(guān)系為：

=2（4）

由圖解法可得懸架轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向半徑的關(guān)系為：

由此，可以得出懸架轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向半徑的關(guān)系，為轉(zhuǎn)向角度的控制提供了有效的依據(jù)。

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與分析

在SolidWorks中裝配后，并裝配轉(zhuǎn)向置于車身底盤前后兩端。初設(shè)定小帶輪半徑1=60 mm，大帶輪半徑2=70 mm，齒輪齒數(shù)2=73，內(nèi)齒圈齒數(shù)3=542，車身長=1 000 mm，車寬和輪距=587 mm，懸架縱臂映射于水平地面的長= 45 mm。設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，令驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為等速50 r/min。

仿真后可知，各部分運(yùn)轉(zhuǎn)良好，無干涉現(xiàn)象。模擬計(jì)算后，并輸出車輪中心位移、角速度和線速度曲線，如圖5、圖6、圖7所示。由圖5、圖6、圖7可知，以車身質(zhì)心為坐標(biāo)系，車輪中心的初始位置與車身質(zhì)心之間的距離為 1 529 mm，其位移呈正弦變化，變化范圍在0～741 mm之間，滿足轉(zhuǎn)向要求。車輪中心角速度和車輪中心線速度在0～2.10 s之間有一個(gè)下降突變，可能因驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)帶傳動(dòng)滑移和齒輪間嚙合沖擊所導(dǎo)致，或其他組件運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)所影響。2.10 s后轉(zhuǎn)向趨于穩(wěn)定，車輪中心角速度穩(wěn)定處于98.30 deg/s上下，且波動(dòng)幅度小，車輪中心線速度在56.65～56.69 mm/s呈規(guī)律性波動(dòng)，因波動(dòng)較小，可近似看作處于56.69 mm/s。通過仿真結(jié)果可證明轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，但存在一些穩(wěn)定性問題，有待優(yōu)化。

圖5 車輪中心位移曲線

圖6 車輪中心角速度曲線

圖7 車輪中心線速度曲線

5 結(jié)論

本文基于臂式懸架提出了一種轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，介紹了結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制提供了有效依據(jù)，最后將其3D實(shí)體建模進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，可以驗(yàn)證本文中所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的可行性，大大提高了設(shè)計(jì)效率、節(jié)約設(shè)計(jì)成本。但如何進(jìn)一步使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更優(yōu)化，運(yùn)行更平穩(wěn)，將是下一步研究的方向。

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U463

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.005

2095－6835（2020）14－0017－03

蘭兆剛（1999—），男，湖北十堰人，在讀本科生，研究方向?yàn)檐囕v工程。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕