基于ADAMS的灾害救援机器人姿态规划与越障分析

［收稿日期］2014-07-16
［基金项目］国家“863”计划重点项目（编号：2012 AA041508）
［通讯地址］王福德，江苏省徐州市经济开发区桃山路1号徐工道路机械分公司军品部
基于ADAMS 的灾害救援机器人姿态
规划与越障分析
王福德，寇智慧，张 云
（徐工集团道路机械事业部，江苏 徐州 221004）
［摘要］利用Pro/E 软件设计的步履式灾害救援机器人三维实体模型导入ADAMS 软件中，并添加约束、运动和外力，以建立虚拟仿真模型；然后建立不同的非结构化地形环境以建立虚拟灾害现场；最后通过step 函数模拟步履式灾害救援机器人在虚拟灾害现场开展跨越壕沟、涉水以及狭窄空间转向等越障任务，研究机器人在不同的复杂地形环境条件下的越障姿态规划和越障性能，分析步履复合行走机构对非结构化地形的越障性、适应性和可靠性。

仿真过程及结果为步履式灾害救援机器人结构的设计及优化、越障能力和地形适应能力的提高、越障可靠性的提升以及越障姿态优化提供了理论和仿真实验依据。

［关键词］灾害救援机器人；虚拟灾害现场；姿态规划；越障性能
［中图分类号］TP242 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2014）11-0071-04
Attitude planning and obstacle analysis of disaster rescue robot based on ADAMS
WANG Fu -de ，KOU Zhi -hui ，ZHANG Yun
步履式灾害救援机器人（以下简称机器人）是一种具有多关节、多自由度的全地形、多功能的步履复合远程遥控越障机器人，它采用轮式驱动与步履式行进相结合的越障方式，可在山地、林地、沼泽、沟壑等其它大型施工设备无法到达的恶劣地形环境进行灾害抢险和救援作业，完成灾害现场爬坡、翻越垂直障碍、涉水、跨越壕沟等越障任务。

通过安装铲斗、抓斗、钻机、破碎锤、救援平台等作业终端，完成挖掘、起吊、抓取、钻孔、破碎、障碍清除、人员救援等抢险救援任务。

机器人主要由工作臂、步履式底盘、回转平台、驾驶室、覆盖件、动力系统、液压系统以及电气系统等组成，如图1所示。

目前该机器人已研制成功，处于试验考核阶段，试验过程中样机运行稳定，越障和作业 可靠。

本文利用Pro ／E 软件设计的机器人三维实体模型导入ADAMS 软件中，并添加约束、运动和外力以建立虚拟仿真模型，然后建立不同的非结构化地形环境以建立虚拟灾害现场，最后通过step 函数模拟机器人在虚拟灾害现场开展跨越壕沟、涉水以及狭窄空间转向等越障任务，研究机器人在不同的
复杂地形环境条件下的姿态规划和越障性能，分析步履复合行走机构对非结构化地形的越障性、适应性和可靠性。

通过仿真分析，在实体样机制造之前，能在各种非结构化地形环境条件对步履式灾害
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78
1. 工作臂
2. 液压系统
3. 电气系统
4. 驾驶室
5. 动力系统
6. 覆盖件
7. 回转平台
8. 步履式底盘
图1 步履式灾害救援机器人结构组成
救援机器人开展姿态规划和越障分析。

1 虚拟仿真模型的建立
将Pro ／E 中建立的机器人三维实体模型导入ADAMS 中，通过布尔求和将同为一个运动部件的零件合并，在各油缸的活塞杆与缸筒之间添加移动副，在各铰点铰接处添加转动副，在各移动副处创建移动驱动，在各车轮及回转平台转动副处创建转动驱动。

通过冗余检验工具检测，机器人虚拟样机三维模型（如图2所示）没有冗余，自由度为0。

x
y
z 图2 步履式挖掘机器人虚拟样机三维模型图
2 建立虚拟灾害现场和规划姿态
（1）如图3、图4和图5所示，分别建立机器人跨越壕沟（壕沟宽度为3.5m ）、涉水（水深为2m ）和狭窄空间行驶作业的虚拟灾害现场，并建立机器人各车轮、铲斗、前腿支爪与各非结构化地形之间的CONTACT
接触。

图3
机器人跨越壕沟虚拟灾害现场
图4
机器人涉水虚拟灾害现场
图5 机器人狭窄空间行驶作业虚拟灾害现场
（2）如图6、图7和图8所示，通过多次调整优化各运动的STEP 函数，控制机器人的动作幅度、动作时间以及各姿态动作的协调程度，以规划机器人在不同非结构化地形的姿态，从而使机器人顺利完成跨越壕沟、涉水以及狭窄空间行驶作业等
虚拟灾害救援现场救援抢险任务。

图6
机器人跨越壕沟姿态规划与越障
图7
机器人涉水姿态规划与越障
图8 机器人狭窄空间行驶作业姿态规划与越障
3 姿态与越障分析
如图9所示，X 方向运动曲线在5-10s 的纵坐标变化为行进到壕沟边缘大轮X 方向的位移，13-23s 的纵坐标变化为大轮抬起跨越壕沟过程中大轮X 方向的位移，其值为3.8m （即大轮抬起跨越壕沟的步距），38-43s 的纵坐标变化为小轮抬起跨越壕沟过程中大轮X 方向的位移，其值为4.2m （即小轮抬起跨越壕沟步距）。

Z 方向运动曲线在13-23s 的纵坐标变化为大轮抬起跨越壕沟过程中大轮Z 方向的位移，为0.8m （即大轮抬起跨越壕沟的最大高度），其余时间段大轮未抬起，纵坐标变化为0。

经分析，大轮抬起跨越壕沟3.8m 的步距和小轮抬起跨离壕沟4.2m 的步距均大于壕沟3.5m 的宽度，
机器人跨越壕沟的极限宽度为3.8m 。

0.0
-15.0
-10.0-5.0距离/m
5.0 方向运动曲线 方向运动曲线0.010.020.0
时间/s
30.040.050.0
X
Z
图9 机器人跨越壕沟时轮胎运动学分析
如图10所示，13-23s 右侧和左侧大轮Z 向受力为0，说明2个大轮处于抬起状态，铲斗齿尖在这个时间段内却产生瞬间峰值，说明铲斗处于与地面接触状态。

38-43s 右侧和左侧大轮Z 向受力为不为0，说明2个大轮与地面接触，铲斗齿尖在这个时间内却产生瞬间峰值，说明铲斗齿与地面接触，在这个时间段内3个力之和为整车总重，说明2个前支腿受力为0，处于抬起状态。

机器人在跨越壕沟整个过程中2个大轮和斗齿在与地面接触过程中均受Z 向力，说明机器人跨越壕沟越障可靠性强、稳定性高、姿态规划合理。

如图11所示，曲线最小值为0.13m ，水深为2.0m ，所以回转平台在整个涉水过程中均位于水面上方，而回转平台以下均可防水。

机器人涉水深度大于2.1m ，其步距与小轮抬起跨离壕沟步距相同，为4.2m ，若机器人欲步行至距离岸边50m 的水中开展抢险作业，单步步履行进时间为20s ，其需要步行12步、耗时4min 开往抢险地点。

0.0
0.0
833.3333
1666.66672500.0力/N
左侧大轮 向受力曲线3333.33334166.66675000.010.020.0
时间/s
30.040.050.0
Z
右侧大轮 向受力曲线Z
铲斗齿尖 向受力曲线Z
图10 机器人跨越壕沟右侧大轮、左侧大轮和
铲斗齿尖受力分析
0.0
0.00.5
1.0
距离/m
1.5
10.020.0时间/s
30.040.0
50.060.070.080.090.0100.0
图11 机器人涉水回转平台下底面与水面距离运动学分析
如图12所示，38-49s ，涉水时右侧和左侧大轮Z 向受力不为0，说明2个大轮与地面接触，斗齿Z 向受力为不为0，说明斗齿与地面接触，而且在这个时间段内3个力之和为整车总重，说明2个前支腿受力为0，处于抬起状态，而且右侧和左侧大轮Z 向受力逐渐增大。

斗齿受力逐渐减小，说明机器人正在执行铲斗顶撑地面、前支腿抬起、后轮支撑地面的步履行进动作，整个过程中工作臂逐渐伸长，整车中心逐渐向大轮倾斜，其它时间右侧和左侧大轮Z 向受力不为0，说明2个大轮处于与地面接触状态，斗齿受力为0，并且3个力之和小于整车质量，说明机器人正处于4支腿支承状态。

机器人在整个涉水过程，2个大轮和斗齿在与地面接触的过程中均受Z 向力，说明机器人涉水越障可靠性强、稳定性高、姿态规划合理。

如图13所示，外侧大轮中心X 向运动曲线一个周期内高度变化为9.4m ，Y 向运动曲线一个周期内高度变化为9.4m ，由于大轮宽度为0.4m ，所以机器人最小转弯直径为9.8m 。

此外，转弯过程中各轮行驶方向均与转弯中心的连线垂直，所以转弯过程轮胎的滑移率低，腿部姿态调整合理。

0.0
-5000.0
-3333.3333
-1666.66676666.66671666.6667
0.0
力/N
左侧大轮 向受力3333.33338333.333310000.05000.0
33.036.039.0
42.045.048.051.054.0
57.060.0
时间/s
Z
右侧大轮 向受力Z
铲斗齿尖 向受力Z
图12 机器人涉水右侧大轮、左侧大轮、
铲斗齿尖受力分析
0.0
0.06.666713.333320.0
距离/m
10.020.0
时间/s
30.040.050.0
外侧大轮中心 向运动曲线
X 图13 机器人狭窄空间行驶作业大轮运动学分析
4 结论
本文将利用Pro/E 软件设计的步履式灾害救援机器人三维实体模型导入ADAMS 软件中，添加运动、约束和外力，并建立了符合现实灾害环境的虚拟灾害现场，通过step 函数模拟在虚拟灾害环境条件下机器人步态规划和越障性能，使得在实体样机制造之前，能对机器人开展姿态规划和越障性能分析。

经过多地形虚拟灾害环境仿真分析，步履式灾害救援机器人越障能力卓越、姿态规划合理、地形
适应能力强，能到达多种其它装备无法到达的灾害现场实施救援。

仿真过程及结果为步履式灾害救援机器人结构的设计及优化、越障能力和地形适应能力的提高、越障可靠性的提升以及越障姿态优化提供了理论和仿真实验依据。

［参考文献］
［1］ 胡明，邓宗全，高海波，陶建国. 基于ADAMS 的
六轮月球车动力学和建模与仿真.哈尔滨工业大学学报，2007.1～4.
［2］ 同济大学. 单斗液压挖掘机［M ］. 北京：中国建筑
工业出版社，1986.
［3］ 郑建荣
. ADAMS —虚拟样机技术入门与提高. 北京：
机械工业出版社，2002.
［4］ 李增刚. ADAMS 入门详解与实例［M ］. 北京：国防
工业出版社，2006.
由表2各项平均值可以看出：（1）3种机型在高速行走模式下的加权均方根值都大于各自在低速行走模式下的加权均方根值，说明3种机型在低速行走模式下人体感觉较高速行走模式下更舒适，这也完全符合人体驾乘的直接感受；（2）在两种行走模式下，机型A -Ⅱ的加权均方根值最小，机型A -Ⅰ较大，机型B 最大，表明机型A -Ⅱ人体振动舒适性最好，机型A -Ⅰ次之，机型B 较差。

4 结论
本文利用三分之一倍频程谱的分析方法，并根据人体振动频率的敏感性，加权分析评价履带式液压挖掘机驾驶室乘坐的人体振动舒适性。

通过在相同的行走工况试验下，分别对30t 级国产某挖掘机（分别安装有国产普通型硅油减振器和国外某硅油减振器）和同吨位国外某挖掘机，即两种机型、共3类试验数据的分析结果进行对比，得到国产某
挖掘机比国外某挖掘机的人体振动舒适性更优良，而国外某硅油减振器比国产普通型硅油减振器性能更优良的结论。

［参考文献］
［1］ 周一鸣，毛恩荣. LAB 在振动信号处理中的应用
［M ］. 北京：中国水利水电出版社，2006：134-137.［2］
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（上接第70页）。