ADAMS 的电梯载荷测试机器人稳定性仿真★

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。

图8 爬楼状态示意图

对机架给予500 kg 负载，在机架长度为500 mm和760 mm 时分别进行爬楼功率仿真，其仿真结果如下页图9 所示。

图9 中框选的部分为仿真的有效对比部分，在机架长度为500 mm 时，产生的最大功率为537.65 W，根据T=9 550P/n，此时产生的力矩值为1 025.6 N·m。

图9 500 kg 负载下不同极限长度爬楼功率仿真结果

机架长度为760 mm 时，产生的最大功率为471.86 W，此时产生的力矩为901.1 N·m。

通过上述对比可知，较短的机架在加载时产生更高的重心，使得电机在抬升时需要负载的功率和力矩都会更高[10]，且更短的机架的功率震荡也更加明显，稳定性更差，故机架应在允许范围内选择更长的机架。

机架的最大长度为760 mm，若想要留有更大的运动空间，根据之前的仿真结果，取700~760 mm 之间的长度，均是比较合理的设计。

4 结语

测试机器人使用了行星轮组机构的传动设计达到了设计要求。ADAMS 作为虚拟运动学仿真的一个平台，为机器人辆整体结构的设计优化提供了重要的手段，通过对机构的运动学和动力学分析，使得设计者可以直观地看到各种机器人机体设计情况下的仿真的运动特性和功率特性，最终让机构设计找到最优的方案。