ADAMS 的电梯载荷测试机器人稳定性仿真★

2022-08-08王子昊张永举

机械管理开发 2022年7期

关键词：轮组爬楼爬坡

张健，王子昊，张永举

（1.江苏省特种装备安全监督检验研究院，江苏苏州 215200；2.南京理工大学，江苏南京 210094）

引言

为了应对日益繁重的电梯测试需求，降低测试员搬运砝码的劳动强度，需要设计一种载荷测试机器人来代替人工搬运砝码[1]。测试机器人要求适应性强、越障性能高、稳定性好并能够适应各种地形，尤其是在多级楼梯台阶等地形障碍环境中拥有优良的越障通过性能。

为满足该载荷测试机器人的功能要求，将机器人的运动机构设计为行星轮式越障机构，结合确定的轮式设计，使用ADAMS 软件对其进行建模并进行运动学和动力学的分析。

1 机器人运动结构

行星轮组结构如图1 所示，测试机器人的轮组采用一种行星轮式越障轮组机构。

图1 行星轮组结构示意图

整个轮组采用轴中轴的结构，管轴和细轴互相空套，互不影响，平地运动时细轴带动小车轮的滚动，越障运动时管轴带动转臂的翻动[2]，两种运动分开，实现运动模式的灵活转换。轮组的小车轮半径为100 mm，整个轮组的最大半径为240 mm。

整体传动如图2 所示，机器人底架的两侧各有两个行星轮组，两两对正。越障运动机构包括一对较大功率直流减速电机、一对链轮链条，这对电机通过链轮与链条与行星轮的管轴相连。平地运动机构包括一对较小功率的直流电机、一对链轮链条，这对电机通过链轮链条与行星轮的细轴相连[3]。运动机构的电机由于需要越障，所以需要更大功率的直流减速电机，平地运动机构仅需要驱动小轮子，所以只需要较小功率的直流电机，整机采用链轮链条传动。

图2 整体传动

2 轮组的运动仿真

行星轮组的尺寸设计完成后，对其运动过程进行模拟仿真。使用Solidworks 软件完成行星轮组的三维建模，然后将模型导入至ADAMS 软件中进行运动分析。

考虑到添加尽量少的运动约束，整个机器人简化为前后两个轮子加连接机架的刚性结构，这样能够直观地体现出机器人的运动特性。在虚拟样机设计完成后对仿真的基本变量进行设置，设置见表1。

表1 变量参数设置表

机器人的运动稳定性主要体现在其越障功能是否正常，而其中爬楼运动是检验稳定性的关键。首先在ADAMS 中设置一个楼梯，材质选用为岩石[4]，规格设置为240 mm×160 mm。轮组的机器人轮材质选定为钢，轮组的翻转速度设置为5 r/min。图3-1、图3-2为ADAMS 中机器人轮运动仿真的过程。不同材质的材质属性不同，材质属性见表2。

图3 爬楼运动状态

表2 材料属性表

分析机器人的爬楼运动的稳定性，主要体现在爬楼时是否会产生倾翻。若运动过程中机器人底架与水平方向的倾角θ 比机器人架设计后的倾翻角大[5]，那么机器人就会产生倾翻。

仿真时将两个轮组的连接副的机器人底架长度设定为L，将机器人底架重心至轮组中心线的距离设为s，小车轮中心到轮组中心距离为R，见图4，则有倾翻角θmax：

图4 倾翻角计算示意图

机架的长度L 需要经过仿真验证的结论进行设计，首先给出三个设定的机架长度值500 mm、600 mm和700 mm，进行爬楼的角度仿真验证，其验证的结果如图5 所示。

图5 不同机架长度下爬楼运动仿真结果

通过ADAMS 的仿真结果可知，在机架长L 为500 mm 时，最大倾角为35°；在在机架长L 为600 mm 时，最大倾角为33.5°；在机架长L 为700 mm时，最大倾角为32.2°。分析结果得到，机架的长度越长，上楼时产生的倾角θ 越小，但由于平常的民用电梯的尺寸是有限的（见表3），机器人需要在电梯内进行运动，故最大机器人体长度不得超过1 100 mm，最大机架长度为：

表3 住宅电梯规格尺寸

将相关数据代入式（2）得：Lmax=760.6 mm。

而最小长度则要保证前后轮组的运动互不干涉，即：

将相关数据代入式（3）得：Lmin=480 mm。

按照运动仿真得出的结果，若出于倾角更小的角度考虑，则应该选择最大的机架长度即760 mm，但更小的机构可以增强机构的灵活性，所以要对机器人辆的通过性进行进一步分析来确定设计结果。

机器人需要负载500 kg 以上的砝码进行测试，机器人体型越长、越大，砝码的摆放高度就越低，相对的，重心位置也更低；机器人体长越短[6]，重心位置也就更高。在进行仿真时，700 mm 的机架的模拟重心高度为s=150 mm，则根据式（2）可得，此时倾翻角上限θmax=48°。

760 mm 和480 mm 的机架的重心高度分别为138 mm 和219 mm，此时得到的倾翻角上限θmax分别为55°和16°，故在机架长度为480 mm 时，爬楼会产生倾翻，机架长度在500 mm 以上时，才会有足够的角度余量来保证不会发生翻落。分析结果如表4 所示。

表4 爬楼稳定性分析结果

3 轮组结构功率仿真

通过上文确定，负载砝码后，机架在长度超过500 mm 时爬楼即可行。为了进一步确定最终设计，再对不同长度的机架下的机构进行越障功率分析[7]。

首先进行爬坡的功率分析，坡度设定为30°，爬坡示意图见图6。

图6 机器人爬坡示意图

爬坡过程是一个稳定不变的状态，不需要进行翻越运动，故只有小车轮需要转动[8]。为了验证不同长度的机架在爬坡时的功率特性，分别对500 mm 和760 mm 两个极限长度得机架进行仿真，前轮组与后轮组分别给予250 kg 负载，进行爬坡功率仿真，它们的功率仿真结果如图7 所示。

图7 250 kg 负载下不同极限长度机架仿真结果

通过仿真结果可见，两种长度的设计在爬坡时的功率特性都十分稳定，且功率差距也很低，故在爬坡时不同长度机架的功率特性区别很小。

进行了爬坡功率分分析后，再进行轮组的爬楼梯功率特性分析。

在进行爬楼运动时，轮组主要有三种运动状态[9]。状态1 为机器人轮刚开始翻动，电机需要克服机器人辆整体质量进行运作，此时产生正力矩，且产生最高的力矩值。状态2 为小机器人轮单轮着地，此时重心达到最高点，轮组即将下翻，轮组由重力惯性驱动向下，此时电机没有功率输出，重力产生的力矩反馈到了电机内，故力矩为负。状态3 为8 个机器人轮全部着地，此时重心到达最低点，机器人轮与楼梯产生撞击，电机对撞击产生的反向力矩输出功率，这个状态下的输出功率和力矩在状态1 和状态3 之间。