两种轮式月球车悬架方案及其虚拟样机仿真

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 、15 ～ 20cm 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 。
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 。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 , ·50 ·
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 : ①负载与自重相同 ; ②总体
尺寸相同 ; ③总功率相同 ; ④最高行驶速度相同 ;
⑤行驶路径相同 。
据此 ,可建立空间探测机器人移动性能评价
0 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 。
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中国机械工程第 17 卷第 1 期 2006 年 1 月上半月
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 : [ 1 ] Yoji Kuroda , Koji Kondo , Kazuaki Nakamura , et
al. Low Power Mo bility System for Micro Planeta2 ry Rove‘r Micro5’. Fift h International Sympo sium on Artificial Intelligence ,Robotics and Auto matio n
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 。
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 ADMA S 环境下对两种新型月球车悬 架系统进行了仿真分析 。
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 (602346030)
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
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 。
Hale Waihona Puke (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 。
两种轮式月球车悬架方案及其虚拟样机仿真 ———尚建忠 罗自荣 张新访
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
刚度 k (105 N/ mm) 1. 0
静摩擦因数 f s
0. 7
阻尼η( N ·s/ mm) 10. 0
动摩擦因数 f d
0. 4
冲击力指数δ 2. 2 静摩擦转换速度 vs ( mm/ s) 0. 1
可穿透深度 hp ( mm) 0. 1 动摩擦转换速度 vd ( mm/ s) 1. 0
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 2 ×4 (侧摇臂) + 5 (尾摇臂) + 6 (车体) = 19 。
图 1 六轮三摇臂悬架
(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 ADMA S/ 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 。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 ADMA S 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 。
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(2006) 01 - 0049 - 04
Two Kinds of Wheeled Lunar Rover Suspension Scheme & Their Virtual Prototype Simulation Shang J iangzho ng1 ,2 L uo Ziro ng2 Zhang Xingfan1
两种轮式月球车悬架方案及其虚拟样机仿真 ———尚建忠 罗自荣 张新访
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1
1. 华中科技大学 ,武汉 ,430074 2. 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 。
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
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 Fc 的变化 ,该变化形成一条随机曲线 Fc ( t) (图 4a) , 对其作如下处理 :
Fm ( t)
=
Fc ( t) Fp
Fp
(1)
式中 , Fp 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 Fm ( 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 ( t1 ) , y ( t2 ) , …, y ( tn) ) , n = 1 , 2 , …, ∞
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. 5mm (图 5) ,车体的高度曲线相当平滑 。
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中国机械工程第 17 卷第 1 期 2006 年 1 月上半月
1. 2 双曲柄联动扭杆悬架 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 。