轮腿式车轮设计与仿真毕业设计

轮腿式车轮设计与仿真分析

毕业设计论文

姓 名： 学 号： 学 院： 专 业：

题 目：

指导教师： 范雪兵 讲师 (姓 名) (专业技术职务)

2014 年 6 月

轮腿式车轮设计与仿真分析

题目：轮腿式特殊结构车轮设计

摘 要

本文设计了一种能适应不同野外环境的轮腿式特殊车轮。利用轮腿结合的方式实现越障，具有很强的越障能力。本文对轮腿式特殊车轮整体结构作了设计，通过对车轮，腿臂，车身等进行设计，对轮腿做了性能分析，在Pro/E 设计环境下，对车轮进行装配，排除干涉.验证结构的正确性。

本文基于虚拟样机技术，对轮腿式车轮建模，并进行运动学仿真分析。根据分析设置车轮定位参数的设计变量。从而为设计和改进提高快速，可靠的技术依据，以达到大幅度降低设备研制成本的目的。本论文的主要内容包括：据轮腿式特殊结构车轮的性能要求，对结构进行分析，并简要描述悬架的主要参数；基于机械动力学仿真软件ADAMS，在ADAMS/View界面下建立车轮模型，初步仿真，测试车轮模型；通过对车轮的建模以及优化计算，可以获得目标函数，即车轮圆心、大臂和小臂的转动角速度，从而得到各设计参数的优化解。在轮腿式特殊车轮的设计过程中，利用虚拟样机技术，使用ADAMS软件建模并仿真，可以缩短产品的设计周期，提高了设计质量，而且可以在虚拟环境下对样机进行各种性能测试，避免资源的损耗，降低了产品的设计和开发成本。特别是对于环境恶劣的月球，在当前的实验室中该环境是很难模仿的，而在ADAMS软件下，这种环境的建立变得方便许多，使得到的数据更加真实、可靠。

关键词：虚拟样机；动力学仿真；越障机构；轮腿式车轮

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轮腿式车轮设计与仿真分析

Abstract

This article describes the design of a Wheel-legged special wheels can adapt to different field environment. The combined wheel leg mode surmounting, has a strong s obstacle climbing capability. In this paper, the design of Wheel-legged special wheel structure, through the wheel, leg and arm, the body of the design, the Wheel-legged do performance analysis, in the Pro/E design environment, the wheel assembly, eliminating interference. Verify the correctness of the structure.

Based on the virtual prototyping technology, the Wheel-legged wheel and modeling, kinematics simulation. According to the analysis of the design variables set the wheel alignment parameters. In order to improve the design and the rapid, reliable technical basis, in order to greatly reduce the development cost of the device. The main content of this paper include: According to the performance requirements of wheel legged special structure of the wheel, the structure is analyzed, and a brief description of the main parameters of suspension; Mechanical dynamics simulation software based on ADAMS, a wheel model, in the ADAMS/View interface simulation, test wheel model;Through the modeling of the wheel and the optimization calculation, can obtain the objective function, namely the angular velocity of rotation wheel center, big arm and the small arm, optimization to get the design parameters of the solution. In the design process of wheel legged special wheel, using the virtual prototype technology, the use of ADAMS software modeling and simulation, the design cycle can be shorten, improve design quality, but also can be a variety of performance test on the prototype in the virtual environment, to avoid wastage of resources, reduce the cost of product design and development. Especially for the environment of the moon, in the current laboratory in this environment is very difficult to imitate, and in the ADAMS software, establish the environment becomes convenient many, get more real, reliable data.

Key words：Wheel-legged wheel; Obstacle crossing mechanism; Virtual prototype; Simulation

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轮腿式车轮设计与仿真分析

轮腿式车轮设计与仿真分析

目 录

摘要 ............................................................................................................................. II Abstract ....................................................................................................................... II

第1章 绪论 ......................................................................................................... - 2 -

1.1引言 ............................................................................................................ - 2 -

1.2轮腿机器人研究现状及趋势 .................................................................... - 2 -

1.2.1国内外发展现状 .............................................................................. - 3 -

1.2.2现有轮腿移动机器人结构分类 ...................................................... - 4 -

1.3轮腿式移动机器人关键技术的研究 ........................................................ - 4 -

1.4本章小结 .................................................................................................... - 5 -

第2章 虚拟样机技术 ......................................................................................... - 6 -

2.1虚拟样机技术的发展 ................................................................................ - 6 -

2.1.1发展背景 .......................................................................................... - 6 -

2.1.2虚拟样机技术的发展 ...................................................................... - 7 -

2.1.3虚拟样机分类 .................................................................................. - 7 -

2.1.4虚拟样机技术特点 .......................................................................... - 8 -

2.2 Pro/E与ADAMS联合应用 ...................................................................... - 9 -

2.3虚拟样机（ADAMS）的二次开发 ........................................................ - 10 -

第3章 轮腿式移动机器人驱动方案设计 ....................................................... - 12 -

3.1引言 .......................................................................................................... - 12 -

3.2设计要求 .................................................................................................. - 12 -

3.3轮腿式机器人结构方案选择 .................................................................. - 12 -

3.3.1轮腿配置方案的选择 .................................................................... - 12 -

3.3.2轮腿式机器人的结构方案选择 .................................................... - 13 -

3.3.3六轮腿的分布方案 ........................................................................ - 14 -

3.3.4越障机构的设计 ............................................................................ - 14 -

3.2.5车轮方案设计 ................................................................................ - 15 -

3.3.6腿臂传动方案设计 ........................................................................ - 16 -

3.4总体方案 .................................................................................................. - 17 -

3.5车轮子结构设计 ...................................................................................... - 17 -

3.5.1车轮直径设计 ................................................................................ - 17 -

3.5.2轮宽的选择 .................................................................................... - 18 -

3.5.3腿臂的设计 .................................................................................... - 18 -

3.6车轮驱动装置的设计 .............................................................................. - 18 -

3.6.1驱动方式概述 ................................................................................ - 18 -

3.6.2部件的选择 .................................................................................... - 19 -

3.7机构受力分析及计算 .............................................................................. - 21 -

3.7.1机构重力估计和析受力分 ............................................................ - 21 -

3.7.2排轮翻越台阶时车身受力分析 .................................................... - 21 -

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轮腿式车轮设计与仿真分析

3.7.4轮子驱动转矩计算 ........................................................................ - 24 -

3.7.5在斜坡上所需的制动力 ................................................................ - 24 -

3.8动态打滑的稳定性分析 .......................................................................... - 24 -

3.9本章小结 .................................................................................................. - 25 -

第4章 运动学仿真结果分析 ........................................................................... - 27 -

4.1引言 .......................................................................................................... - 27 -

4.2零件的具体设计 ...................................................................................... - 27 -

4.2.1车体的设计 .................................................................................... - 27 -

4.2.2长臂的设计 .................................................................................... - 28 -

4.2.3短臂的设计 .................................................................................... - 28 -

4.2.4摇杆的设计 .................................................................................... - 29 -

4.2.5整体结构 ........................................................................................ - 29 -

4.3车轮主轴的设计及校核 .......................................................................... - 30 -

4.4 轮腿车轮的仿真分析 ............................................................................. - 37 -

4.5本章小结 .................................................................................................. - 44 - 结论 ....................................................................................................................... - 45 - 致谢 ....................................................................................................................... - 46 - 参考文献 ............................................................................................................... - 47 -

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第1章 绪 论

1.1引言

移动机器人是一种能够通过内、外传感器反馈信息感知环境及自身状态，实现在有障碍物的环境中自主运动，从而完成一定功能或任务的机器人系统[1]。目前已广泛运用于野外考察、地震救灾、环境检测、娱乐生活等诸多行业，在安全、军事、生活以及科学研究中扮演着越来越重要角色。其中轮式机器人结构简单，容易实现，具有移动速度快、转向性能好、行走效率高等特点。但同时适应地形和避障的能力差。足式机器人对地形的适应能力较好，可以跨越障碍物、台阶等，但运动间歇大，速度慢[2]。随着移动机器人的不断开发和应用范围的扩展，未来会在更多复杂且未知的环境中工作。仅仅依靠轮式或者足式的移动机器人已无法完全适应工作环境的复杂性和多样性了。为了配合对移动机器人性能要求的逐渐提高，相继问世了许多混合式的移动机构，其中轮腿式移动机器人就融合了轮式移动机器人和腿式移动机器人的特点。既可以保证在平坦地面的移动效率又具有了良好的跨越障碍的能力[3]。

但当轮腿式移动机器人采用足式的方式行走时目前在技术上还存在许多困难，然而在自然界中存在的多足昆虫则可以通过它们长期进化得到的复杂且精妙的肢体结构和灵活的的运动方式，容易地通过了各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走[4]。因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到移动机器人的结构设计与控制中，开发具有卓越移动能力的轮腿式仿生移动机器人，对于足式移动机器人和轮腿式移动机器人技术的研究与应用都具有重要的理论和现实意义[5]。

1.2轮腿机器人研究现状及趋势

轮腿式机器人作为移动机器人的一部分，兼具了轮子和腿的功能，具有优良的越障能力和机动性能，简单的结构形式以及移动中的高效性和平稳性。在平整的地形可以运用轮子结构前行，在非平整地形环境可以采用足式或轮腿复合式前进。具有速度高、能耗低、地形适应性强的特点[6]。

近几十年来，轮腿式移动机器人技术得到了很快的发展，并有许多成功的案例。轮腿式移动机器人多用在抢险、排爆、污染源检测测、外星探测等领域[7]。

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1.2.1国内外发展现状

美国喷气与推进实验室（JPL）研制了1997年被人类送上火星的第一台探测车sojourner，Sojourner是一辆微型自主式机器人车辆，采用六轮摇臂悬吊式 结构,即有6个独立悬挂的驱动轮，传动比为2000:1，本机器人是真正意义上的六轮腿式移动机器人。以及后来的火星探测车漫游者（mars rover）机器人，该款机器人拥有最先进的机动性，其六轮腿式结构是目前最先进的,具有强大的越障能力。原地360o的转弯能力及伸缩性，除了其先进的机动性能，探路者机器人上安装了包括Pancam(立体摄像头)、Mini-TES(红外分光仪)、显微镜、Mossbauer(分光仪，用来测定岩石成分)、APXS(ALPHA射线)系统、RAT(Rock Abrasion Tool)系统等各种先进的仪器来探测环境，观察并分析岩石和土壤。用来探测火星上是否有生命，以及有没有生命的遗迹、火星上的地质和气候环境。 美国全地形六足星际探测器“运动员”(ATHLETE)同样也是由美国宇航局喷气与推进实验室（JPL）研制的，Athlete高13英尺(3.96米)，重357石(2268公斤)，它可携带超过2285石(1.45万公斤)有效载荷，但它比通常的行星探索车轻25%。其最快行进速度能达到10ｍ/ｓ，最大爬坡能力为50度硬质土地，25度沙地。最大越障高度可达 2.8 米。

为了减轻重量他将工具安装在了腿上，当轮子抬起来的时候，可以安装、拆卸工具，比如钳子和电钻等。ATHLETE可以通过远程控制实现行走，甚至的跳跃和舞蹈。该机器人拥有6条关节型腿，腿上安有轮子，因此即便在凸凹不平的地形上，它也能行动自如。同时ATHLETE机器人的六个负重轮拥有极大的灵活性，可在各种复杂的地形下前进。在遇到障碍时，可以通过抬腿越过障碍。每条腿都有安装有内置的摄像头，摄像头拍摄到的视频信息经过整合处理，可以同时显示在一个显示器上，为控制人员展示机器人周边的3D影像。

哈尔滨工业大学研制的两款轮腿式移动机器人HIT-HYBTOR[8]和HITAN-I[9] 。它们的移动系统都由四套轮腿混合式移动机构组成，每套移动机构四个自由度，车轮独立驱动，腿关节三个自由度，可实现轮式或腿式移动。轮式移动时，腿上各关节锁定，由车轮独立驱动。腿式移动时，当前进时制动器锁止足底轮[10]。腿部驱动选用蜗轮蜗杆机构，这种设计可以将电机藏于腿的肢体内，结构更加紧凑。是一个可以直行、原地转向、楼梯爬越、足底轮滚进的复合运动的轮腿机器人[11]。HITAN-I 四条腿末端的车轮都可独立驱动，这种设计可以保证移动机构具有更好的环境适应性，但电机数量的增多使机构负载提高，控制难度加大[12][13]。

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1.2.2现有轮腿移动机器人结构分类

对于现有轮腿式移动机构来说，虽然功能上非常相近,但是结构上千差万别，综合它们的结构特点大体可以划分为两类：

第一类从结构上来看就是将轮子安装在腿部的末端，使轮和腿形成串联结构，以轮作脚。这是轮腿混合式机构系统中比较常见的一种[14]。是目前研究成果较多的一类。大多情况下轮和腿各自保持独立驱动，这种特点保证了它们功能上既能够以单一方式移动，这时就相当于纯粹的轮式或腿式移动[15]。又可以两种移动机构同时发挥作用，以混合方式移动。可以看出，这种系统实际上只是两种移动方式功能上的简单组合。结构上两种子机构具有明显的独立性和完整性。上述几种都属于等都属于这一类[16]。

第二类从结构上来看轮和腿完全分离，移动中两者或同时发挥作用以混合式移动，或采用单一方式移动。和第一类相比结构上更加简单，控制更容易[17]。

1.3轮腿式移动机器人关键技术的研究

正如人类活动范围和探索的空间是人类进步的标志一样，机器人的智能同样体现在运动空间的大小上。为了获得更大的独立性，人们也对机器人的灵活性及智能提出更高的要求，要求机器人能够在一定范围内安全运动,完成特定的任务，增强机器人对环境的适应能力。因此，近年来，移动机器人特别是自主式移动机器人成为机器人研究领域的中心之一。

(1)轮腿式移动机器人的机构形式

根据实际运用环境的需求综合轮式和腿式运动机构的优点，设计了一种多驱动模式的轮腿式移动机器人。整个机器人由六个结构左右对称的运动单元和车体构成。每个运动单元具有一个转向臂、一个摆臂和两个电动轮(驱动轮和爬行轮。对于运动在不平坦地形中的移动机器人而言，其倾覆稳定性非常关键。对称结构的轮腿式机器人，它有六个独立的轮腿运动单元,能够变化多种构形。采用动态能量稳定锥方法和倾覆稳定性指数对机器人的稳定性进行综合评价，建立了一个模糊神经网络白适应控制系统。根据稳定性指数值,该系统可以实时改变机器人的构形和速度，保证其倾覆稳定性。正弦路面上的仿真结果表明，该系统所产生的动作实时性好、可靠性高，能够降低机器人白主越障过程中的危险。

(2)轮腿式移动机器人的组成：

A 轮腿式移动机器人的 驱动装置，B轮腿式移动机器人的导向装置，C 轮腿式移动机器人的换向装置 D，轮腿式移动机器人的制动装置。

轮腿式移动机器人的驱动装置是一种复合移动系统，结合轮式和腿两种移

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动方式的特点，世界各国均投入了大量研究。课题对机器人腿式和轮式移动原理进行了解和掌握，在此基础上对两种移动方式进行综合，设计出一种适合野外非结构环境下的移动机器人驱动装置，在机构上有所创新，机器人能够在复杂路面上行走、具有较强的越障能力。在机械CAD环境下设计驱动装置的总体方案和结构，各种机电元件进行选型设计，并对机器人越障行为进行分析与研究。

1.4本章小结

本课题研究的主要难点是整体结构尺寸优化过程中，对于空间体积求解存在误差，无法得到最优方案。机体的设计首先要考虑两个因素：一是避免腿部之间发生碰撞，扩大腿部的活动范围；二是增加机体的稳定性。轮腿式移动机器人的驱动装置是一种复合移动系统，结合轮式和腿两种移动方式的特点，世界各国均投入了大量研究。课题对机器人腿式和轮式移动原理进行了解和掌握，在此基础上对两种移动方式进行综合，设计出一种适合野外非结构环境下的移动机器人驱动装置，在机构上有所创新，机器人能够在复杂路面上行走、具有较强的越障能力。

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第2章 虚拟样机技术

2.1虚拟样机技术的发展

2.1.1发展背景

从传统的设计过程来看，一个新产品的设计需经方案论证、概念设计（加之经验设计）之后进行产品的细节设计，为了验证设计的正确性以及功能实现与否，往往需要制造物理样机进行性能测试。如果测试结果满意则投入生产，反之，则将对设计内容进行修改，再次制造物理样机测试，直至测试结果满意为止。在大多数情况下，样机的试制并不是一两次就能达到设计要求的，往往需要经过多次反复。因此，传统的设计方法存在很多弊端。

（1）物理样机的生产制造需要大量的时间和费用，所以设计成本高、周期长。

（2）在某些情况下，物理样机的试验是破坏性的，甚至非常危险，比如飞行员的安全性试验和汽车的碰撞试验等。

（3）传统的设计过程大都采用传统的计算方法，计算速度慢、精度低，难以进行多种方案的分析对比。

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。CAD/FEA技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境和技术支撑。虚拟样机技术改变了传统的设计思想，将分散的零部件设计和分析技术集成于一体，提供了一个全新的研发机械产品的设计方法。虚拟样机技术设计流程见图2。

图2-1 虚拟样机技术设计流程

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从图中可以看到，虚拟样机代替物理样机完成了整个设计流程中样机的测试。因此，虚拟样机技术具备许多传统设计方法无可比拟的优点。

（1）在相同的时间里可以“试验”多种设计方案。

（2）虚拟样机代替物理样机进行多种危险性或破坏性试验。

（3）避免了物理样机的试制环节，降低了设计费用，缩短了产品开发周期。

（4）缩短了产品开发后期的设计更改。

另外，一些企业为了避免物理样机试制的繁琐以及费用方面的问题而省略样机测试这个环节，或者偷工减料、敷衍了事，这势必会降低产品的性能,甚至满足不了设计的要求。在市场竞争日益激烈的今天，为了达到Time、Quality、Cost、Service和En-vironment的要求，我们必须以最短的时间、最好的质量和最低的价格推出产品。谁早推出产品，谁就会占有市场；谁产品性能可靠、价格合理，谁的产品就会受到用户的亲睐。那么，有没有一种方法既可以减少样机的试制，又可以实现测试流程的需要呢？在这样一种情况下，虚拟样机代替物理样机出现，虚拟样机技术也就应运而生了。

2.1.2虚拟样机技术的发展

虚拟样机从其发展的历程来看，大致分为2个阶段。第1阶段是分析型虚拟样机(Analytical Vir-tual Prototyping)，这类虚拟样机主要依赖键盘、鼠标、显示器等常规计算机输入输出设备，进行分析和仿真。这类虚拟样机给设计者提供如动力学分析曲线、FEA分析数据等非感性信息和3D模型等半感性信息。目前比较成熟的软件是MSC.Software公司的ADAMS和CADSI公司的DADS。但是分析型虚拟样机侧重于零部件的分析，对整体结构的分析能力不足。

虚拟样机发展的第2阶段是沉浸型虚拟样机(Immersive Virtual Prototyping)，这类虚拟样机依赖于计算机硬件技术的发展，利用实时渲染及模拟操纵等人机交互技术，并配备数据手套、头盔等设备，使得设计者能够身临其境地感受到产品的真实存在，在虚拟环境下对产品进行分析和处理。虚拟现实技术的发展为虚拟样机技术提供了这种新的人机交互方式。数据手套、数据头盔等的出现给虚拟样机技术的发展带来了机遇。在虚拟现实的条件下，对虚拟样机技术设计的产品进行测试和评估将是今后虚拟样机技术的主要发展方向，简言之，就是在虚拟现实环境下的虚拟样机技术。

2.1.3虚拟样机分类

虚拟样机按照实现功能的不同可分为结构虚拟样机、功能虚拟样机和结构与功能虚拟样机。

结构虚拟样机主要用来评价产品的外观、形状和装配。新产品设计首先表

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现出来的就是产品的外观形状是否满意，其次，零部件能否按要求顺利安装,能否满足配合要求，这些都是在产品的虚拟样机中得到检验和评价的。

功能虚拟样机主要用于验证产品的工作原理，如机构运动学仿真和动力学仿真。新产品在满足了外观形状的要求以后，就要检验产品整体上是否符合基于物理学的功能原理。这一过程往往要求能实时仿真,但基于物理学功能分析，计算量很大，与实时性要求经常冲突。

结构与功能虚拟样机主要用来综合检查新产品试制或生产过程中潜在的各种问题。这是将结构虚拟样机和功能虚拟样机结合在一起的一种完备型的虚拟样机。它将结构检验目标和功能检验目标有机结合在一起，提供全方位的产品组装测试和检验评价，实现真正意义上的虚拟样机系统。这种完备型虚拟样机是目前虚拟样机领域研究的主要方向。

2.1.4虚拟样机技术特点

虚拟样机技术的实现,必备的三个相关的技术领域是：CAD技术、计算机仿真技术和以虚拟现实(Virtual Reality )为最终目标的人机交互技术。

虚拟样机技术生成的前提是虚拟部件的“制造”。成熟的CAD三维几何造型软件能快速、便捷地设计和生成三维造型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等外在特征以显示真实的外观同时还必须包含质量、重心位置、转动惯量等内在特征，用来进行精确的机械系统动力学仿真运算。

CAD生成的三维造型数据只有在导入虚拟样机环境，在虚拟环境中能测量和装配，并能显示出三维的外观造型后才能成为真正意义上的虚拟部件。 CAD三维造型还是实现最终从虚拟部件“制造”到现实部件制造的基础。

虚拟样机是代替物理样机进行检测的数学模型。它的内核是包含组成整机的不同学科子系统的大模型，即Digital Mock-UP，简称DMU。由于DMU同时包含了产品设计的所有学科提供的多个视角，并对产品的外形、功能等方面进行了科学、连贯的评价，因此通过虚拟样机，能进行产品综合性能评测。传统设计方法注意力集中于单学科，重视子系统细节，而忽视了整机性能，就是因为无法同时从多视角对产品综合性能进行评定。

虚拟样机必须具备交互的功能。设计师通过交户界面对参数化“软模型”进行控制，实现虚拟样机原型多样化。而虚拟样机反过来通过动画、曲线和图表等方式向设计师提供产品感知和性能评价。最好的交互手段是虚拟现实技术。除了应用上述传统方式，设计师还能通过数据手段，修改虚拟部件的参数，对虚拟部件重新装配，生成新的虚拟样机。虚拟样机仿真模型,通过力反馈操纵杆等传感装置，向设计师传递虚拟样机操纵力感，通过立体眼镜向设计师提供实时的立体图像，有了这些人类对产品的直观感知，就能使设计师产生强烈的“虚

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拟现实”沉浸感，协助设计师和用户对产品性能做出评价。

计算机网络、计算机支持的协同工作技术(Computer Supported Cooperative Work,简称CSCW) 、产品数据管理( PDM)和知识管理等是虚拟样机技术实现的重要低层次技术支撑。通过这些技术将产品的各个设计、分析小组人员联系在一起，共同完成新产品从概念设计、初步设计、详细设计直到方案评估的整个开发过程。

2.2 Pro/E与ADAMS联合应用

虚拟样机技术的商业软件，如机械系统自动动力学分析软件ADAMS，集成了多体系统动力学理论成果、参数化的建模工具、可以进行静力学、运动学和动力学分析的求解器、功能强大的后处理模块和可视化界面等，极大地提高机械系统仿真的效率。然而由于这些软件重点是在力学分析上，在建模方面还是有很多不足，尤其是一些复杂机械系统零、部件的三维建模很难实现，所以很有必要利用CAD软件建模来解决这个问题。

两者结合仿真的基本步骤归纳如图2-2所示：

图2-2 仿真的基本步骤

利用Pro/E建立模型并进行样机装配

ADAMS建模技术尚不完善，仿真过程中对于结构复杂的模型就要借助CAD软件来完成建模，这里利用Pro/E结合一个四杆机构来介绍整个建模装配过程。

（

1）建模过程

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Pro/E和ADAMS是不同公司出品的，两者是“有缝连接”，在转换模型时会因为设置的环境不同而无法实现，因此在建模前就应该设置好各零件的建模环境。四杆机构由基座、主动件、连接件和从动件组成，首先建立基座模型，在Pro/E系统下打开新文件，在菜单栏选File→New即打开对话框，选择Part类型。根据实际经验，在零件建模前应该注意环境单位和密度的设置，与ADAMS连接一般单位采用mmNS或者MKS制，而且要定义零件的密度，这样可以防止在模型转换的时候出现很多不必要的错误。建模时修改单位可以在菜单管理器(MenuManager)下选择Part→SetUp→Unit，然后出现单位管理(UnitManager)对话框，在选择适当的单位制，点“Set”按钮即可。同样修改密度选择Part→SetUp→Density后，在信息窗口(MessageW indow)输入密度值确定即可。然后进行零件模型的建立。同样方法建立四杆机构的其他零件模型[18]。

（2）装配过程

在Pro/E系统下打开新文件，在菜单栏选File→New即打开对话框，选择Assembly类型进入模型装配环境，与前面一样要将环境的单位设置为mmNS或者MKS制。

在装配环境设置好后即可开始零件装配，在菜单管理器(MenuManager)下选择ASSEMBLY→Component→Assemble后调出打开文件对话框，选择零件模型文件后点击打开(Open)即可。对于四杆机构先调入基座( found. prt)文件后，出现装配对话框(Component Placement)，选择连接(Connections)方式(基座采用固定Fix连接)，当下面位置菜单(PlacementStatus)提示完全约束(Fully Constrained)即可。其他零件按照类似的方法，只是连接方式不同。同时要注意模型的后续定义，如模型只有在装配时定义成相切才能在后面将它们之间定义为“curve-on-curve cam”；当为了简化模型利用“Merge”合并时要注意转化到ADAMS里面将不能单独着色，若要单独着色就不要使用。完成以上步骤后将装配模型进行存贮，以准备后续的操作。

利用CAD建立完模型之后，就需要将其导入ADAMS中，进行一些力学或运动学上的分析，其中还要用到一些专用的接口程序。完成一系列转换导入操作之后，便能对一些稍微复杂的模型进行分析了。

由以上可知，将CAD与虚拟样机结合，可以有效的将CAD强大的建模功能与虚拟样机的分析功能有机地结合起来，从而大大提高虚拟样机的分析功能，处理更多复杂实际的问题。

2.3虚拟样机（ADAMS）的二次开发

ADAMS不仅是一个优秀的虚拟样机建模和分析软件，同时也可作为开发虚拟样机分析应用软件的有效工具。用户可对ADAMS进行功能定制，如进行

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ADAMS/View界面的用户化设计；可利用语言实现自动建模和仿真功能，如宏命令的应用；针对特殊的应用需求，通过编制用户自定义函数或子程序( Us-er- Written Subroutine)，可进行 ADAMS的二次开发，以拓展ADAMS的功能，为用户定制具有特定功能的仿真分析软件。

库函数提供的只是有限的编程结构，因此有些复杂的情况，特别是涉及到逻辑表达时，用库函数的现有函数很难表达出来。因此当需要采用一些 ADAMS没有提供的特殊函数时，可以采用用户自定义函数。

用户自定义函数利用编程语言来定义元素或者特定的输出，具有库函数所没有的通用性和灵活性。用户自定义函数通过程序设计语言 ( Fortran 或 C) 来定义 ADAMS不能提供的函数，使之按照用户的需求而量身订作。且通过连接用户自定义函数，不会失去 ADAMS的任何功效，也不会降低仿真速度。

当下列情况时， 通常会使用用户自定义函数：

1）数学函数很难表达。

2）需定义多用户使用的函数或用于和其他程序进行交换。

3）需要控制复杂仿真运行时，以及需要作决策逻辑时。

ADAMS是一个功能强大的分析软件，同时也是一款灵活多变的分析软件，通过与其他支撑软件的结合，可以对复杂的模型进行分析，不仅涉及到了机械部分，而且也促进了控制部分的设计。实现了对产品的全方位的设计优化，提高了产品的设计效率和质量同时降低了设计的成本。从各方面来说，虚拟样机都不失为一种强有力的工具[19]。

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第3章 轮腿式移动机器人驱动方案设计

3.1引言

移动机器人是一种能够与外界环境交互的智能系统，在有障碍物的环境中能够面向目标自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。用于军事侦察、反恐防暴等危险作业的小型地面移动机器人以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动机器人研究领域的又一热点。由于其工作环境复杂多变，很多时候要求机器人不是避开障碍或复杂地形，而是要越过并适应它。所以，研究开发具有越障功能的小型地面移动机器人以适应各种结构化、非结构化环境是非常必要的。与传统的以研究机器人智能、决策等为目的而开发的轮式移动机器人相比,在机动性、越障能力、集成设计等方面出了许多新的或挑战性的理论与工程技术问题。

3.2设计要求

课题要求对机器人腿式和轮式移动原理进行了解和掌握，在此基础大对两种移动方式进行综合，设计出一种适合野外非结构环境短的移动机器人驱动装置，机器人能够在复杂路面大行走、具有较强的越障能力。在机械CAD环境短设计驱动装置的总体方案和结构，各种机电元件进行选型设计，并对机器人越障行为进行分析与研究。

设计技术要求：

（1）每个轮子独立驱动，采用环境适应能力好的六腿式结构。

（2）重量短于45Kg ，外形尺寸长度不超过800mm，宽度不超过600mm。

（3）机器人最大移动速度10Km/h，具备越障和爬坡能力。

（4）要求能够翻越250mm高的障碍，能够爬15°的斜坡。

3.3轮腿式机器人结构方案选择

3.3.1轮腿配置方案的选择

轮腿式移动越障机器人依靠轮与腿的共同作用来行使与越障，因为其翻越障碍时需要很好的平稳性，所以考虑用对称的结构对轮腿式机器人的平衡性有很大的帮助，在所考虑的四轮腿式和铝六轮腿式机器人中，显然，六轮腿式较四轮腿式有着更好的平衡性与抗震性，故选用六轮腿式结构。

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轮腿式车轮设计与仿真分析

3.3.2轮腿式机器人的结构方案选择

因为在行使的过程中，轮腿机器人是需要越障行使，其越障机构的形式就是我们研究的重点，如何分配这六个轮子，每个轮子是什么样的驱动，怎样控制其越障，各个轮子在越障时实现怎样的动作也是我们应该考虑的。设计时考虑了两种形式机构：

1) 摇臂-转向架式六轮腿式行使机构，结构简图如图3-1所示，其结构有两个独特之处：(1) 各轮有独立控制转机构；(2) 通过差速齿轮轴连接两侧行使机构，并将机器人机体与差速轴箱体固定。

图3-1 摇臂转向架式六轮腿移动机器人的结构简图

2） 独立驱动六轮腿式移动机器人驱动机构

该机构简图如图3-2所示，本机构的六个车轮为独立驱动，每个车轮都有各自的直流电机驱动，另外，每一条腿都有一个独立的直流伺服电机驱动，且配有增量编码器

[20]。每一条轮腿构成一个独立的伺服驱动系统

图3-2 独立驱动六轮腿移动机器人

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