兩種輪式月球車懸架方案及其虛擬樣機(jī)仿真.

1、兩種輪式月球車懸架方案及其虛擬樣機(jī)仿真尚建忠1,2羅自榮2張新訪11華中科技大學(xué)，武漢,4300742國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),長沙,410073摘要:提出了三搖臂懸架和雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)扭桿懸架兩種新型月球車懸架 系統(tǒng);建立了月球車移動(dòng)性能評價(jià)的數(shù)學(xué)模型；采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，從地面自適應(yīng)、行 駛平順性、越障性能三個(gè)方面對月球車的移動(dòng)性能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。仿真結(jié)果表明，雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架月球車具有很好的移動(dòng)性能。關(guān)鍵詞:月球車,移動(dòng)性,虛擬樣機(jī),ADAMS中圖分類號(hào)：TP24文章編號(hào):1004-132X (200601-0049-04Tw o Ki nds of Wheeled Lunar R over Su

2、spe nsion Scheme &Their Virtual Prototype Simulatio nShang Jiangzhong 1,2L uo Ziro ng 2 Zhang Xingfan 11. Huazho ng Un iversity of Scie nee and Engin eeri ng ,Wuha n ,4300742. Natio nal Uni versity of Defe nse Tech no logy ,Cha ngsha ,410073Abstract :Two new suspe nsion systems n amed Three -Roc

3、ker suspe nsion and Two - Crank -Sli 2der Rocker suspe nsio n were proposed respectively.Virt ual Prototype was used to evaluate t heir self -adaptive con tact ,r unning smoot hn ess and over -obstacle ability.Simulatio n result s show t hat Two -Cam -Rocker suspe nsion based lunar rover owns better

4、 mobility.K ey w ords :lu nar rover ;mobility ;virt ual p rototype ;ADAMS收稿日期：2004-12-06基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（6023460300引言移動(dòng)性能是輪式月球車最基本的性能。月球探測對月球車的移動(dòng)性能需求主要 體現(xiàn)在地面自適應(yīng)性、行駛平順性、越障性、連續(xù)工作時(shí)間、自主行駛功能等方 面。月球車移動(dòng)性能主要取決于懸架和輪系，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種懸架結(jié)構(gòu)，這些 懸架系統(tǒng)各有特點(diǎn)。日本宇航中心、梅基大學(xué)等單位聯(lián)合研制的Micro5采用的是一種5點(diǎn)接觸懸吊結(jié)構(gòu)1;鄧宗全等2提出的行星越障輪式月球車越障功能

5、很強(qiáng)但這種結(jié)構(gòu)在跨越較大障礙時(shí)對行駛平順性的影響較大；劉方湖等3設(shè)計(jì)的五輪鉸接式月球機(jī)器人具有與美國節(jié)式空間探測機(jī)器人BlueRover相同的特點(diǎn)，地面自適應(yīng)能力很好，但行駛平順性與抗翻穩(wěn)定性有待改善；美國Rocky系列探測機(jī)器人所采用的 rocker -bogie 懸架是一綜合性能較好的結(jié)構(gòu)4,5,清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的月球車原理樣車均有采用這種結(jié)構(gòu)。本文提出了兩種新型月球車懸架系統(tǒng)，對基于虛擬樣機(jī)的移動(dòng)性能評價(jià)理論與 方法進(jìn)行了初步探討，在ADMAS環(huán)境下對兩種新型月球車懸架系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分 析。1兩種新型輪式月球車懸架1.1六輪三搖臂懸架如圖1所示，六輪三搖臂

6、懸架由車體、尾搖臂和兩個(gè)側(cè)搖臂組成。尾搖臂和兩 個(gè)側(cè)搖臂均可相對車體獨(dú)立擺動(dòng)，調(diào)整六輪對地面的相對高度，實(shí)現(xiàn)6個(gè)車輪對地面 的自適應(yīng)。六輪三搖臂懸架月球車采用六輪驅(qū)動(dòng),4個(gè)角輪為轉(zhuǎn)向輪，因此,整車自由度數(shù)為2X4（側(cè)搖臂+5（尾搖臂+6（車體=19。圖1六輪三搖臂懸架六輪三搖臂懸架結(jié)合了節(jié)式懸架（尾搖臂和搖臂懸架（側(cè)搖臂的特點(diǎn)，既具有節(jié)式空間探測機(jī)器人 BlueRover的地面自適應(yīng) 能力,又顯著改善了其抗翻穩(wěn)定性。與經(jīng)典的Rocky系列機(jī)器人所采用的搖臂-轉(zhuǎn)向架懸架相比，六輪三搖臂懸架結(jié)構(gòu)的車體具有自穩(wěn)定性，無需采用扭桿彈簧或差速齒 輪保持車體平衡，結(jié)構(gòu)要簡單。1.2雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架如圖2

7、所示，雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架由左車架、右車架、扭桿彈簧、車體四部分 組成。左右車架采用花鍵與扭桿懸吊的兩端固定 ，車體與扭桿懸吊的中間處固定，在 端部則可相對轉(zhuǎn)動(dòng)。如此，車架可相對于車體做微量轉(zhuǎn)動(dòng)，以防止機(jī)器人加減速時(shí)因 慣性沖擊引發(fā)車體擺動(dòng)0I9W2Q10Clum Andemifi JmrrMi ElwnnicAN righliIII $圖2雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)扭桿懸架左右車架采用雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)。雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括對稱的兩組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，兩者之間通過兩根連桿實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，曲柄支座與滑塊、滑塊與滑塊之間均采 用彈簧連接，以達(dá)到減振與保證車架行駛平順性的目標(biāo)。雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架月球 車采用六輪驅(qū)動(dòng)，其

8、中4個(gè)角輪為轉(zhuǎn)向輪，整車有22個(gè)自由度。雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架機(jī)器人前輪越障時(shí)，曲柄1后擺，滑塊1右移，前輪上升,中間 輪下降，如圖3a所示。中間輪越障時(shí)，兩個(gè)滑塊相對滑動(dòng)，前輪和后輪下降，中間輪提 升，如圖3b所示I?(a前輪越障(b后輪越障圖3雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)扭桿懸架越障原理輪越障時(shí)，曲柄2前擺，滑塊2左移，中間輪下降，后輪上升。2虛擬樣機(jī)評價(jià)的數(shù)學(xué)模型及步驟2.1數(shù)學(xué)模型為保證評價(jià)模型的客觀性和科學(xué)性，對任意空間探測任務(wù)的空間探測機(jī)器人解 空間的所有方案作如下一致性約束：負(fù)載與自重相同：總體尺寸相同；總功率相 同;最高行駛速度相同；行駛路徑相同。據(jù)此,可建立空間探測機(jī)器人移動(dòng)性能評價(jià)數(shù)學(xué)模型。

9、(1自適應(yīng)性評價(jià)模型移動(dòng)過程中的空間探測機(jī)器人，隨著地形的起伏，車輪的相 對位置發(fā)生變化，與之相對地表現(xiàn)為車輪與地面接觸力 F c的變化，該變化形成一條 隨機(jī)曲線F c (t (圖4a對其作如下處理：F m (t =F c (t -F pF P(1式中,F p為平地環(huán)境下車輪與地面接觸力。則可得到單個(gè)車輪的自適應(yīng)評價(jià)曲線F m (t (圖4b。(a接觸力曲線(b自適應(yīng)性評價(jià)曲線圖4單個(gè)車輪的評價(jià)曲線(2行駛平順性模型機(jī)器人移動(dòng)過程中，車體中心點(diǎn)的高度丫 (t也是一個(gè)隨機(jī)過程，記作：丫 (t=(y (t 1,y (t 2,y (t n ,n =1,2,則高度丫 (t變化的離散程度可用二階中心矩評

10、價(jià)：(T 2Y (t =EY (t -卩 丫 (t 2式中,卩丫 (為丫 (t的均值。同理，車體俯仰角a和翻滾角B的離散程度亦可采用其二階中心矩進(jìn)行評價(jià)，并分別記作c2a (t和CT2B (。另外,車體中心高度、俯仰角和翻滾角變化的一階中心矩曲線也是空間探 測機(jī)器人行駛平順性評價(jià)的重要依據(jù)。(3越障性能模型基于一致性約束，質(zhì)量與功率參數(shù)一定，則越障性能的高低可簡 化為直接采用機(jī)器人所能越過的垂直障礙的高度 h來評價(jià)。h越大,其越障性能越 好。05?2.2虛擬樣機(jī)分析及評價(jià)步驟(1虛擬樣機(jī)建模月球車移動(dòng)性能的虛擬樣機(jī)模型包括虛擬地面環(huán)境模型、 月球車虛擬樣機(jī)模型、地面與機(jī)器人輪胎相互作用模型、月

11、球車轉(zhuǎn)向駕駛模型四部分組成。虛擬地面環(huán)境模型由一組模擬真實(shí)地面環(huán)境的三角網(wǎng)格組成，根據(jù)已有月球地形知識(shí)，設(shè)置有25°斜坡、1520cm高的障礙以及直徑約為0.5m的火山口等非結(jié)構(gòu) 化形體。月球車虛擬樣機(jī)模型包括車體、懸架、輪系等子模型，每一模型均由構(gòu)件、約束和力三部分組成。采用 ADAMS/Tire模塊建立地面與機(jī)器人輪胎相互作 用模型，并設(shè)置輪胎與地面作用的靜摩擦、動(dòng)摩擦、彈性模量、滑動(dòng)系數(shù)等接觸力 參數(shù)，部分參數(shù)設(shè)置如表1所示。月球車轉(zhuǎn)向駕駛模型通過控制 4個(gè)角輪的轉(zhuǎn)向、 各輪系的行駛線速度等方法約束月球車的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的運(yùn)行軌跡。表1地面與機(jī)器人輪胎相互作用參數(shù)沖擊力參數(shù)摩擦

12、力參數(shù)剛度k(105N/mm1.0靜摩擦因數(shù)f s0.7阻尼n (N? s/mm10.0動(dòng)摩擦因數(shù)f d0.4沖擊力指數(shù)S 2.靜摩擦轉(zhuǎn)換速度vs(mm/s0.1可穿透深度h p(mm0.1動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換速度1994-21110 Om Afternicv d(mm/s1.0(2運(yùn)行虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析(31994-2010China. Acadcznic Journal Electronic Pubiishing Houc. All rights reserved* htipVfwww.criki Jier依據(jù)數(shù)學(xué)模型建立虛擬樣機(jī)評價(jià)曲線利用 ADMAS/PopqbjhM-uijrr'ii

13、QTQT1W1呼呼 滬円單）1111 童 H019' VII 斗鈉* ix»ucqrIdMOlOst Processor模塊繪制輸出探測機(jī)器人的自適應(yīng)評價(jià)曲線、行駛平順性評價(jià)曲 線和越障性能評價(jià)曲線。主要包括車輪與地面接觸力的一階和二階中心矩兩組曲線 車體中心高度、俯仰角和翻滾角的一階和二階中心矩6組曲線，越障性能表現(xiàn)為最大越障高度。(4試驗(yàn)設(shè)計(jì)研究 利用ADMAS試驗(yàn)設(shè)計(jì)功能,對月球車虛擬樣機(jī)模型的設(shè)計(jì) 變量進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。3仿真結(jié)果經(jīng)基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)器人移動(dòng)性分析及評價(jià)，認(rèn)為圖2所示的雙曲柄聯(lián)動(dòng) 扭桿懸架為相對較優(yōu)的方案，其部分移動(dòng)性評價(jià)結(jié)果如圖5圖7所示

14、?？梢钥闯觯?行駛過程中，雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架的車輪隨地面顛簸很大，而車體卻很平順，如圖5所 示。除少數(shù)因車輪與地面沖擊接觸力發(fā)生突變外，接觸力變化也很小，如圖6所示。在越110mm高的礙障時(shí)（圖7,車體高度變化也小于12.5mm（圖5,車體的高度曲線相 當(dāng)平滑。仿真結(jié)果表明，雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)懸架對地面高度的變化具有相當(dāng)好平滑作用，車 體行駛車體具有良好的平順性和地面自適應(yīng)能力。1. 左前輪中心高度2. 左中輪中心高度3. 左后輪中心高度4. 右后輪中心高度5. 右前輪中心高度6右中輪中心高度7.車體中心高度圖5車體平順性圖6車輪與地面接觸力圖7越障性能評價(jià)4結(jié)論本文以輪式月球車為研究對象，提出

15、了三搖臂月球車懸架和雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)扭 桿懸架兩種新型月球車懸架系統(tǒng)，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)從地面自適應(yīng)性、行駛平順 性、越障性等方面對其移動(dòng)性能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。仿真結(jié)果表明，雙曲柄聯(lián)動(dòng)扭桿懸架具有很好的移動(dòng)性能。參考文獻(xiàn)：1 Y oji Kuroda,K oji K on do,Kazuaki Nakamura,etal.Low Power Mobility System for Micro Pla neta2ry Rover Micro5 ' .Fifth International Symposiumon Artificial Intelligence,Robotics and Auto

16、mation?15?in Space,Noordwijk,Netherla nds,19992鄧宗全，高海波，胡明，等.行星越障輪月球車的設(shè)計(jì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003,35(3,203213 3劉方湖，馬培蓀,曹志奎，五輪鉸接 式月球機(jī)人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模機(jī)器人.2001,23(6:4814924 Bickler D.A New Family of J PL Pla netary SurfaceVehicles.Missio n,Tech nologies,a nd Desig n ofPla netary Mobile Vehicles.Toulouse:Cepadues-Editio ns,

17、19925 Grove O.A Descriptio n of the Rover Sojourner.ht2tp:/marsprogram.jpl. /MPF/rover/so2journer.html,1996（編輯郭偉作者簡介：尚建忠，男,1966年生。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生,國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人學(xué)、數(shù)字 化設(shè)計(jì)技術(shù)。羅自榮，男,1974年生。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院講 師。張新訪，男,1965年生。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo) 師。基于圖的注塑產(chǎn)品側(cè)凹特征識(shí)別技術(shù)的研究召E健呂

18、震柯映林浙江大學(xué)，杭州,310027摘要:提出一種基于圖的注塑產(chǎn)品側(cè)凹特征識(shí)別方法：首先將產(chǎn)品屬性面鄰 接圖中的節(jié)點(diǎn)和邊進(jìn)行屬性擴(kuò)展，以形成產(chǎn)品的擴(kuò)展屬性面鄰接圖；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用 擴(kuò)展屬性面鄰接圖對凹、凸及通孔三種類型的側(cè)凹特征進(jìn)行描述，并采用子圖匹配的方式將側(cè)凹特征的子圖從產(chǎn)品屬性面鄰接圖中識(shí)別出來；對于識(shí)別出的側(cè)凹特征， 特征方向可采用可視圖的方法確定，并通過分析識(shí)別出的側(cè)凹特征的特征方向來最 終確定產(chǎn)品的優(yōu)化脫模方向。實(shí)例測試表明，該側(cè)凹特征識(shí)別方法可以有效地識(shí)別 注塑產(chǎn)品中的側(cè)凹特征，提高側(cè)凹特征的識(shí)別效率。關(guān)鍵詞:注塑產(chǎn)品;側(cè)凹特征;特征識(shí)別；脫模方向中圖分類號(hào):TP391.72文

19、章編號(hào)：1004-132X(200601-0052-04R esearch on G raph-based R ecog niti on of U n dercut Features from Molded PartShao Jia n L u Zhe n Ke Y in glinZhejiang Un iversity,Ha ngzhou,310027Abstract:A new grap h-based recog niti on met hod of un dercut feat ures from molded part was pro2 posed.Att ributes of no

20、de and edge in Face Adjace ncy Attribute Grap h(FAA Gwere exte nded to form Exte nded Face Adjace ncy Att ribute Grap h(EFAAG.Based o n t hese t heories,c on cave,c on vex and t hrough un dercut feat ures were defi ned accord in gly and sub-grap hs of t he un dercut feat ures were recog ni zed from EFAA G of t he molded part by grap h matchi ng.Feat ure orie ntatio n of each recog ni zed un dercut feat ures was determ ined by visibility map and optimized part ing direct ion was cho sen from t hese feat ur