履带式灭火机器人动力学特性研究

履带式灭火机器人能够在火灾发生后辅助或替代消防员进入灾区进行灭火救援工作,降低灾害损失,减小救援的危险性。消防炮在喷射时产生后坐力,该后坐力将会影响机器人系统的动力响应,不但会增大转向时驱动力、驱动力矩,还会引起机器人的垂向运动和俯仰运动,进而影响消防炮灭火的准确性。所以对灭火机器人动力学特性的研究,尤其是消防炮喷射时冲击载荷对机器人动力学特性影响的研究至关重要。本文基于履带式机器人动力学特性的分析基础上,结合国内外研究现状,采用理论分析、运动学建模、动力学建模、虚拟样机仿真和样机实验等研究方法,对履带式灭火机器人的动力学特性进行研究。本文的研究工作主要从以下几个方面展开:首先,提出机器人总体设计方案,完成机械系统的设计,阐述遥控端、本体端控制系统的框架;在SolidWorks中完成机器人虚拟样机的设计,并在多体动力学软件RecurDyn中建立1:1的动力学仿真模型。其次,建立直摆臂、弯摆臂柔性悬架的力学模型,综合运用几何和数学理论推导两种悬架的等效刚度;在贝克的经典地面力学基础上分别计算机器人直线行驶时的行驶阻力和牵引力,验证机器人的驱动条件和附着条件,通过计算机器人所需驱动力和驱动力矩验证驱动电机和减速器选型的正确性。再次,建立了行进间转向动力学模型,分析质心偏移引起两侧单位长度履带负载不同时机器人的转向阻力矩和牵引力矩,总结发现机器人在原地转向时所需驱动力矩最大,原地转向时,分别对质心具有横向、纵向不同偏移情况下的两侧驱动力方程进行分析比较,总结转向时驱动力变化规律;建立消防炮后坐力作用下转向动力学模型,重点研究了质心存在不同横向、纵向偏移距时两侧驱动力与消防炮俯仰角、偏航角之间的关系;在RecurDyn中建立转向动力学仿真模型,对不同转向半径、质心偏心距不同时的驱动力矩进行仿真实验验证。然后,提取了机器人行驶工作过程中所要通过的结构化地形特征和越障参数,在RecurDyn中设计圆弧坡道、独立台阶、连续台阶、凸台、沟道等单一路面虚拟地形;通过动力学仿真的方法分别研究履带式灭火机器人的地形通过性,并由机器人质心位置、倾角、驱动轮力矩的变化曲线总结复杂地形中履带式灭火机器人的动力学特性;由物理样机分别对跨越高220mm的台阶、坡道30°的斜坡进行实验,验证机器人的越障性能。最后,建立了机器人11自由度振动力学模型,基于拉格朗日方程推导振动微分方程组,并表示成矩阵形式,求解系统固有频率和主振型;在6自由度半机器人动力学模型基础上建立振动微分方程组,基于MATLAB利用正则模态矩阵性质编写求解算法,分析路面激励引起的垂直振动位移和俯仰振动角度变化曲线,并在RecurDyn中对结果进行仿真验证;基于MATLAB由正则矩阵法编写解耦脉冲激励振动微分方程组的求解算法,分析由后坐力瞬态激励引起的机器人垂向、俯仰振动的位移、速度、加速度曲线,改变弹簧刚度和阻尼系数,分析振幅、衰减时间、衰减速度的变化;分析垂直、俯仰运动对消防炮射流轨迹的影响,并改变消防炮俯仰角,分析不同俯仰角下的机器人振动响应。