摘要：為減少核輻射對工作人員身體的損傷，設計了一款可用于強輻射環境的、具有較好通過性和地形適應能力的附有減震系統的核環境探測機器人。該機器人搭載多種探測傳感器并對關鍵驅控部分進行了輻射屏蔽，可在強輻射環境下完成探查、巡檢作業；該機器人的履帶移動底盤設計采用驅動輪與地面具有一定角度的離地角同時使誘導輪接地的方法以保證機器人具有較好的越障性能和地形適應能力；底盤設計了減震結構以減少機器人震動對探測器造成的影響。通過理論分析，確定了移動底盤相關參數并通過三維繪圖軟件SolidWorks建立了機器人三維模型，利用動力學仿真軟件RecurDyn對機器人底盤越障能力進行了仿真分析，得出了機器人在越障過程中其質心與驅動扭矩的變化關系，驗證了底盤越障可靠性，為實驗樣機的研制奠定了理論基礎。

關鍵詞：核探測機器人；履帶移動底盤；越障性能；動力學仿真

一、研究背景及目的

受核環境強電離輻射、毒性、污染控制的限制，對于有強放射物的反應堆、輻照裝置、核退役設施等建筑體內的處置任務，因工作人員無法進入事故現場進行事故處置工作，給核環境作業現場狀況分析和緊急處理帶來了極大困難。以核輻射環境機器人系統為代表的高性能、強適應、高效率的遙操作型危險作業高技術裝備，對開展核環境應急偵察、救援、處置等工作有極強的現實意義。核電站運行最關鍵的一環就是保證核電的安全利用，但涉核的地方往往都具有一定的輻射性，為避免輻射對工作人員的安全造成損傷，核環境作業機器人則是目前最優的選擇。由于我國對核電機器人技術的研究起步較晚，對相關技術的研究還不夠成熟，所以目前核電機器人在工業上的應用還受到很大的限制。

核環境的機器人不僅要能夠承受高強度的輻射，還要具有較好的越障與機動性能。針對上述問題，對核環境機器人研究的基礎上設計了一款可用于強輻射場環境、具有較好通過性和地形適應能力同時附有減震系統的核探測機器人。相較于目前核環境中的作業機器人，該機器人搭載多種探測傳感器，并對關鍵驅控部分進行了輻射屏蔽，使得機器人能夠在強輻射場環境下完成探查、巡檢作業。針對目前機器人地形適應能力較差的問題，機器人的履帶移動底盤設計采用驅動輪與地面具有一定角度的離地角同時使誘導輪接地的方法，使該機器人具有較好的越障性能和較好的通過性，能夠在狹窄環境下自由移動，同時能夠實現原地轉向。利用動力學仿真軟件RecurDyn對機器人進行動力學仿真以驗證其越障性能。

利用動力學仿真軟件RecurDyn對機器人進行了動力學分析，得出了機器人在越障過程中質心、速度、驅動轉矩等的變化。結果表明機器人結構設計合理且擁有較好的越障通過性，尤其在翻越圓臺障礙時結果超出預設目標。證明了機器人設計的可行性，為進一步實驗樣機的研制提供了理論依據。

二、建模過程

考慮到模型的簡化與求解方便，在建立機器人虛擬樣機模型時分為兩部分，首先在專業的三維建模軟件SolidWorks中建立其主要結構并進行簡化，然后在RecurDyn軟件中利用履帶模塊對履帶底盤進行參數化建模，之后將建立好的車體等零部件導入到RecurDyn軟件中并施加相應的驅動與約束，最后進行動力學仿真分析。

(1)創建履帶板

機器人底盤履帶實際采用的為柔性橡膠材質，由于在仿真軟件中進行大尺寸的剛柔耦合仿真計算量較大且速度慢，因此軟件采用先對母履帶板的形狀、尺寸參數進行定義，之后通過Assembly功能進行裝配，最后在兩相鄰履帶板之間添加Bushing力來完成對履帶的定義。其中對履帶板形狀、尺寸的參數定義結果如下所示：

履帶板主要尺寸參數信息如下表2-1所示：

(2)創建四輪

履帶底盤的創建主要包括四輪一帶，其中履帶通過履帶板來創建，剩下的四輪通過參數化建模來實現，在創建四輪之前要先將懸架模型導入，隨后對輪系位置及尺寸參數進行定義，最后通過Assembly功能生成履帶。其中單側輪系位置及尺寸信息如下表所示：

具體創建單側行走機構結果如下圖2-2所示：

(3)導入其他模塊

建立完履帶底盤之后，分別將車體及探測器部分模型導入軟件中進行合并，考慮到模型的復雜性以及眾多微小特征等對仿真速度造成的影響，首先對三維模型進行簡化然后再導入仿真軟件中。其最終建立的虛擬樣機模型如下圖2-3所示：

機器人虛擬樣機建立完成之后還無法實現正常的運動，因為各個模塊之間相對獨立，還需要根據機器人實際運行狀況對各機構之間施加正確的約束關系以保證各機構之間的正確運動。其中單側行走機構之間的約束關系如下表2-3所示：

履帶底盤在行駛過程中有多種摩擦力的存在，其中包括各輪系轉動關節處的摩擦、履帶與路面存在的摩擦以及履帶銷軸與軸套之間存在的摩擦等，只有對上述接觸參數進行定義才能將驅動傳至履帶并驅動器人行駛。其中機器人輪系具體接觸參數如下表2-5所示：

履帶銷軸與軸套之間的轉動摩擦系數通過其剛度與阻尼矩陣來實現，其參數如下表2-6所示：

三、試驗工況設計及試驗結果

在完成對機器人虛擬樣機的模型建立之后，將對機器人整體地形適應能力進行動力學仿真分析。首先是對機器人進行直線行駛性能仿真分析，由于機器人直線行駛過程中無明顯速度變化，因此機器人采用的驅動函數為：

HAVSIN(TIME,0.2,0,0.5,0.95*pi)

機器人在0.2-0.5秒之間速度由0增至0.95pi，隨后進行勻速運動，仿真時間設為30秒，步長設為300。其仿真過程如下圖3-1所示：

直線行駛仿真主要是為了驗證機器人整體結構是否符合設計要求，考慮到機器人在實際運行時后方線纜的存在，在機器人后方連接線纜部位施加了等效阻力。具體仿真結果如下圖3-3所示：

由仿真結果圖3-3(a)可知機器人在直線行駛過程中平穩性較好，機器人在沿x軸行駛過程中y軸與z軸速度趨向于0，但是由于振動的存在導致速度存在一定微小的波動，但是在合理范圍之內。圖3-3(b)為單側驅動扭矩，機器人從靜止階段先加速到達最大速度之后進行勻速，驅動扭矩也隨之由0N.m增加到7N.m后保持在該范圍之內，驅動扭矩變化過程與速度變化過程高度一致。圖3-3(c)為機器人在行駛過程中側邊彈簧受力與伸長量變化過程，由于彈簧不存在z軸方向的長度變化，所以該分力為0，圖3-3(d)為單個履帶板在行駛過程中張緊力變化趨勢，隨著履帶的轉動其張緊力呈周期性變化。由上述仿真過程與分析結果可知機器人整體結構設計不存在明顯缺陷，同時也驗證了機器人虛擬樣機模型建立的準確性。

之后對機器人進行原地轉向性能仿真，兩側驅動輪速度大小相等、方向相反，其仿真結果如圖3-4所示，其中圖3-4(a)為兩側驅動扭矩，在轉向過程中最大驅動扭矩為31N.m左右，與理論計算結果高度吻合。機器人原地轉向時質心本應為一靜止點，但是由于隨機震動的原因導致質心位置出現一定的偏移，其最大x軸偏移量為15mm，z軸偏移量為14mm，對于機器人整體結構來說該偏移量不會對整體結構造成性能方面的影響。

3.1 上下坡性能仿真分析

由于之前已經驗證過虛擬樣機模型的正確性，這里將直接對機器人爬坡性能進行驗證，這里采取硬質路面為坡道路面，路面角度根據設計指標要求設為30°，機器人驅動函數采取STEP增量式驅動，其函數形式為：

STEP(TIME,0.5,0,1,0.95*pi)+ STEP(TIME,12,0.95*pi,14,0.7*pi)

其中0.5~1秒為加速階段，1~12秒為勻速階段，12~14秒為減速階段，之后一直按照14秒時的速度勻速行駛。具體仿真過程圖如下圖3-5與3-6所示：

由上述分析結果可知，機器人在上下坡過程中驅動輪所需最大驅動扭矩為36N.m左右，與之前理論分析計算的38.81N.m之間存在微小誤差，該誤差在合理范圍之內，在下坡階段為了防止速度過快，需要對驅動輪進行降速，因此扭矩出現如圖所示的負數情況。在整個上下坡仿真過程中機器人姿態角變化情況如上圖3-7 (b)所示，僅偏航角隨著路面角度發生對應的變化，另外兩個俯仰角與翻滾角無明顯變化，表明機器人整體在上下坡過程中有較好的穩定性。其彈簧受力與變形結果以及履帶張緊力仿真結果都在合理范圍之內，整體仿真結果表明機器人的爬坡性能滿足項目指標要求。

3.2 翻越凸臺性能仿真分析

機器人在翻越凸臺時主要包括接觸凸臺、爬升凸臺、翻越凸臺三個步驟，其中爬升階段為機器人底盤主要受力階段，在爬升過程中機器人質心不斷發生變化，同時驅動扭矩也在不斷加大，若在機器人驅動扭矩滿足爬升受力的情況下履帶不與凸臺邊界發生打滑，則機器人便能順利越過凸臺。為了測出機器人所能翻越凸臺的高度極限值，在同一路面設置了多個不同高度的凸臺進行仿真。其仿真過程如下圖3-8 所示：

經過多次仿真結果對比得到機器人所能翻越凸臺最高高度為100mm，所需單側驅動扭矩為39N.m左右，根據前述計算分析過程，所選驅動電機滿足該要求。仿真過程中機器人姿態角度變化范圍與所設置凸臺高度變化范圍一致，機器人在翻越凸臺過程中保持了較好的穩定性。

3.3 溝壑通過性能仿真分析

在跨越溝壑仿真過程中在同一路面設置了4個不同寬度值的溝壑以測量機器人所能跨越溝壑寬度的極值，由于路面設置多個不同寬度溝壑導致總路面長度較長，因此采用IF函數使得機器人快速到達溝壑位置，然后降速進行跨越溝壑仿真，其驅動函數為IF(TIME-5:0.95*pi,0.8*pi,0.7*pi)。具體跨越溝壑仿真過程如下圖3-10所示：

當機器人跨越溝壑寬度值在250mm范圍之內時仿真過程并未出現任何危險狀況，當溝壑寬度值大于250mm時仿真失敗，主要失敗原因包括機器人跨越溝壑時出現翻車與仿真求解超出限制。最終根據仿真結果得到機器人所能跨越溝壑寬度最大值為250mm，所需最大扭矩為36N.m左右，在跨越溝壑過程中線性彈簧阻尼器最大受力變化區間為100~920N，長度變形范圍為-6~10mm，機器人姿態角變化范圍在-20~3°之間，質心高度變化范圍隨著跨越溝壑的寬度增加而增加，最大相對變化高度為35mm。

四、結論

通過對機器人虛擬樣機模型的建立并施加相應的約束、接觸與驅動，對機器人進行了動力學仿真分析，仿真分析結果驗證了機器人整體結構設計的合理性以及底盤運動的穩定性，并對仿真結果與理論分析結果之間存在偏差的數據進行了詳細分析，通過對本章的動力學仿真分析進一步保證了機器人在工作中的穩定性，為實驗樣機的研制奠定了理論基礎。

作者：胡俊濤