2杆轮式悬架移动刚体机械手动力学瞬态稳定性研究与仿真.pdf

高技术通讯2011年第21卷第3期：315。319 doi：10．3772／j．issn．1002-0470．2011．03．016 2杆轮式悬架移动刚体机械手动力学瞬态稳定性研究与仿真① 杨玉雏。②张明路。’ 赵新华’ (‘天津理工大学机械1-程学院天津300384) (”河北工业大学机械工程学院 天津300130) 摘要研究了2杆轮式悬架移动刚体机械手(平面)在其末端执行器跟踪给定轨迹工况 下的动力学瞬态稳定性。在进行系统动力学模型分析的基础上。综合考虑了轮胎与路面 作用力，给出了系统瞬态动力学稳定性评价准则，并进行了数值仿真，仿真结果真实反映 了系统在执行任务时动力学瞬态稳定性分布情况及悬架对系统整体稳定性的影响。该准 则适用于移动机械手轨迹跟踪工况下的稳定性评价，或以该准则为约束条件，进行系统多 目标优化。 关键词轮式悬架，移动刚体机械手，动力学，瞬态稳定性 器人旧J、移动机械手轨迹规划和移动机械手稳定性 0 引言 控制中。文献[10．12]在ZMP基础上对机器人稳定 性进行了分析，认为一旦移动机器人绕某一支撑边 轮式移动机械手由轮式载体(平台)和机械手组 开始转动则可视为不稳定。文献[13]采用直接微分 成，从而拓展了机械手的工作空间。当移动机械手 法研究了移动机械手运动学问题，以轮胎支反力为 处理重载或通过不平路面时，其稳定性分析成为移 稳定性标准评价了系统在执行具体任务时的稳定 动机械手系统性能分析的重要部分之一，因此有大 性，该方法没有考虑路面不平工况和运动刚体构件 量学者致力于移动机械手稳定性研究。早期的移动 移动与转动间动力学耦合问题，不能准确预测移动 机械手稳定性研究主要是关于移动速度缓慢的步行 机械手在执行任务时的稳定性。文献[14]、[15]研 机的静态稳定性研究，如对静态稳定性余度【lJ、纵向 究了轮式吊机(液压挖掘机改装)吊装稳定性问题， 静态稳定性余度[2J和保守稳定性余度【3]等的研究。 由于该方法定位于定点吊装，不适用于评价移动机 进入20世纪90年代后，研究人员进行了进一步的械手跟踪给定轨迹时的动力学瞬态稳定性。文献 研究。Nagy等14j研究了重心高度和路面高度差异 [16]基于支反力，研究了移动机械手在水平路况下 对机构的稳定性的影响。为研究不平地形对静态稳 的稳定性问题，但该动力学模型是建立在质点动力 定性的影响，Messuri和KleinIs]定义了能量稳定性余 学基础上(质量集中于质心)的，没有考虑移动机械 度，并用此来量化移动机器人所能承受的冲击能量， 手构件移动与转动变量间的动力学耦合问题，随着 同时考虑了步行高度的影响【6|。Nagy等一J引入协移动机械化运动的速度的提高，该动力学模型不能 调姿态稳定性余度作为能量稳定性余度的补充用以 真实描述系统运动，同时该稳定性评价仅是建立在 考虑柔软地形上某一腿失陷的问题，然而Nagy的方支反力的基础上，没有考虑(侧)滑动引起末端执行 法仍然仅考虑了移动机器人仅在重力作用下的工 器跟踪既定轨迹的精度问题。文献[17]应用稳定性 况。Ghasempoor和Sepehril7J扩展了能量稳定性余 空间，通过调整线加速度和角速度来预防移动机器 度，并以此来考察机械手工作时所产生的力和力矩 人在不平路面上的倾覆问题。文献[18．20]采用力 8J应用零力矩点(zero 对稳定性的影响。Sugano等l 矩高度测量(moment．heightmeasure)法研究移动机械 moment