郭鹏飞，李 彬，苏卫华，李世国，张世月

（1.天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津300384；2.天津（滨海）人工智能创新中心，天津300457；3.军事科学院国防科技创新研究院，北京100071）

0 引言

面对地形复杂多变的灾后现场，救援人员很难快速、安全地开展工作，并且大多救援任务已超出了救援人员的能力范围，因此使用救援机器人代替人力去执行救援工作迫在眉睫。搜救机器人是移动机器人领域的一个重要研究方向，因其可以代替搜救人员进入未知危险区域进行搜救工作而具有广泛的应用前景[1-3]。对比现有不同救援机器人的优缺点，轮式救援机器人有承载大、驱动和控制较方便、自重轻、行走速度快、机构简单、工作效率高、机动灵活等优点[4]，可代替人类完成繁重、危险的工作。但是面对一些非结构化路面，地形适应性不足的缺点则限制了轮式救援机器人的应用与发展。

悬架的应用使轮式移动机器人的地形适应性和自身稳定性都有显著提高。悬架的类型主要分为主动悬架和被动悬架：被动悬架相对传统，不能根据自身的运行状况和外界激励条件的变化进行主动调节；主动悬架可根据自身的运动状态选择最优的方案对悬架进行控制，更好地保持车身的稳定性与舒适性[5]。张世月等[6]通过对国内外现有悬架进行对比，提出了一种单纵臂式悬架，该悬架结构简单，更加适用于中小型移动机器人，且能够利用三角形悬架结构增加轮胎的行程范围，提升了轮式移动机器人的地形适应能力。Chen 等[7]通过ADAMS 软件对车辆悬架的外倾角、前束角、后倾角、主销内倾角度和半径进行仿真优化，得出满足要求的悬架系统。Goszczak等[8]提出了一种可变阻尼的半主动式悬架，通过电磁阀控制改变悬架阻尼，调节汽车在不同路况行驶过程中的平稳性。吴志先等[9]应用ADAMS/car 软件建立某轿车的双臂独立前悬架，对影响汽车操纵稳定性的前轮定位参数进行双轮同向跳动仿真，使前轮定位参数在车轮跳动过程中的变化量处在更合理的范围内，从而使悬架的运动特性更符合理论设计值。

本研究在单纵臂式悬架的基础上，研制出一种通过电动推杆对悬架进行主动调节的单纵臂式主动悬架，其具有主动位姿调整、大行程、双向减震等特点，将其应用到救援机器人平台可提升平台的地形适应能力和稳定性，从而高效完成复杂多变环境中的救援任务。

1 单纵臂式主动悬架原理设计

单纵臂式主动悬架的工作原理是利用电动推杆对三角悬架的行程进行调节，可最大程度上保持车身的平稳性。该悬架主要由连接板、电动推杆（EF）、连杆（ABO、OCD）、螺旋弹簧减震器（AC）组成（如图1 所示）。点A、O、C、D、E、F 均为转动副，悬架可通过连接板安装至救援机器人车架上。连杆ABO 和连杆OCD 绕O 点转动，D 点为轮胎的连接点。通过电动推杆对悬架的行程范围进行主动调节，当救援机器人面对坑洼地面，电动推杆推力增加，推动轮胎向下运动，提升车身高度，阻止车身发生倾斜；相反，当面对凸出地面，电动推杆推力减小，轮胎向上运动，降低车身高度，从而增加了救援机器人自身的稳定性。本悬架机构简单，纵向空间较小，更加适用于小型救援机器人的使用。在运动过程中，悬架始终保持着三角形AOC 和OEF 的稳定状态，而D 点存在着上下和左右4 个运动方向，电动推杆的使用增加了D 点的行程范围，并通过电动推杆的主动调节，提高救援机器人在探测或者救援任务中的通过性与平稳性。

2 单纵臂式主动悬架静力学分析

图1 单纵臂式主动悬架原理图

单纵臂式主动悬架受力简图如图2 所示。设O 点为坐标原点，则A、B、C、D、E、F 各点的坐标分别为（80，270）、（0，270）、（225，-179）、（250，-179）、（-200，45）、（0，135）。

图2 单纵臂式主动悬架受力简图

首先以连杆OCD 为研究对象，列出三角变换关系和力矩平衡方程：

由公式（1）~（3）可得

对C 点进行受力分析：

由公式（4）~（9）可得

将各点坐标和F3值代入公式（10）可得F1=1 253 N。由胡克定律方程F1=k×Δf（其中Δf 为螺旋弹簧减震器长度变化量）得弹簧刚度系数k=12.53 N/mm。

以连杆ABO 为研究对象，建立三角变换关系和力矩平衡方程：

对F 点进行受力分析：

由公式（11）~（15）可得

将各点坐标和F1值代入公式（16）可得F2=2366 N。

通过对单纵臂式主动悬架在平衡状态下的静力学分析，能够得出救援机器人在负载状态下螺旋弹簧减震器的刚度和电动推杆推力，为利用ADAMS软件对单纵臂式主动悬架进行仿真优化提供初始条件。

3 运动仿真实验与优化

为提高设计效率，缩短悬架系统的研发周期，可用ADAMS 软件对轮式救援机器人的悬架进行运动仿真与优化设计[10]。根据轮式救援机器人的基本参数（见表1），利用SolidWorks 和ADAMS/View 建立整车和四分之一单纵臂式主动悬架模型，如图3 所示。

表1 轮式救援机器人基本参数

图3 四轮车SolidWorks 整体装配模型与单纵臂式主动悬架ADAMS 模型

现对救援机器人的四分之一悬架进行仿真分析。建立ADAMS/View 简化模型，并添加相关参数和运动副，根据轮式救援机器人的基本参数和上文计算结果设置悬架可变量、约束条件、目标函数等条件，进行螺旋弹簧减震器刚度、阻尼和所需电动推杆推力的优化。参照图2，对单纵臂式主动悬架进行参数化建模。

3.1 ADAMS 参数化建模

（1）设置ADAMS 基本单位为MMKS，参照图2建立悬架模型，以O 点为坐标系原点，其余各点坐标分别为：A（80，270）、B（0，270）、C（225，-179）、D（250，-179）、E（-200，45）、F（0，135）、P1（10，190）、P2（-30，190）。

（2）连接P1P2EO 为悬架与救援机器人车体连接底板，再依次连接AB、BO、OC、CD、EF，分别表示悬架各结构杆长，在点A、C 之间施加螺旋弹簧约束。

（3）在底板与大地之间建立P1P2方向的移动副，保证悬架可在水平方向移动，设置O 点为连杆ABO、OCD 与底板三者之间的旋转副，在EF 之间建立移动副，点A、E、F、C、D 均为转动副。为保证电动推杆的行程在移动范围之内，设置连杆ABO 的转动角度为竖直方向左右各25°转动，函数表达式如下：

(BISTOP(AZ(MARKER_77,MARKER_78),WZ(MARKER_77,MARKER_78,MARKER_78),-25d,25d,1e10,1.1,1e7,1e-3）

3.2 设计变量与约束条件

根据上文计算，定义弹簧刚度系数为k0=12.53（10≤k≤30），阻尼ζ0=3（0≤ζ≤10），电动推杆推力F20=2 366 N（2 000≤F2≤3 000）。根据移动救援机器人实际应用并考虑到仿真试验的可行性，定义轮胎与虚拟地面保持接触，且接触力FN→0，函数表达式如下：

Value at simulation end(FN)

Value at simulation end(-FN)

3.3 设立目标值

通过对螺旋弹簧减震器刚度、阻尼和电动推杆推力进行优化，从而使电动推杆承受的力最小化，减小电动推杆承受的冲击力，提升电动推杆的使用寿命。取电动推杆推力模拟期间的最小值为目标函数，其函数表达式如下：

Min(Maximum value during simulation(F2))

4 实验优化结果分析

通过ADAMS 软件对悬架进行多次仿真计算可求得满足实验条件的最优解，根据ADAMS 软件仿真数据得出约束条件（如图4 所示）、目标函数、弹簧刚度和阻尼的变化曲线（如图5 所示），并利用ADAMS 软件对悬架连杆旋转轴O 点进行扭矩分析，得出悬架在运动过程中旋转轴的扭矩变化曲线（如图6 所示）。由图4 可知，约束条件幅值有明显减小并趋向于0（满足FN→0），曲线最初的峰值为轮胎与地面刚接触时发生碰撞产生的。图5 中的目标函数与设计变量随着迭代运算逐渐趋向于稳定，由曲线可以看出通过多次对悬架进行迭代优化使得电动推杆推力、螺旋弹簧减震器刚度和阻尼都有明显减小，最终得到电动推杆推力F2=1 850 N，弹簧刚度系数为k=10.8 N/mm，阻尼ζ=2.7。由图6 可以看出，优化后悬架旋转轴处所受扭矩变化幅度减小（两处峰值为悬架在极限位置时旋转轴受到的扭矩），进而增加了旋转轴的使用寿命。

5 结论

图4 约束函数变化曲线

图5 目标函数与设计变量变化曲线

图6 旋转轴O 点扭矩变化曲线

为提高四轮救援机器人在复杂地形环境下的通过性和平稳性，本研究设计了一种单纵臂式主动悬架，通过对悬架在平衡状态下的受力分析，求出电动推杆和螺旋弹簧减震器的受力状态；运用ADAMS软件进行实验仿真优化，得出在满足悬架约束条件时的电动推杆最小推力，并得出螺旋弹簧减震器的刚度和阻尼。同时通过对所设计悬架的运动仿真，得出了在运动过程中连杆旋转轴所受到的扭矩变化，并通过实验仿真使旋转轴受到的扭矩有了很大幅度的减小。本研究为电动推杆和螺旋弹簧减震器的选型提供了理论依据，为单纵臂式主动悬架的搭建提供了数据支持。由于单纵臂式主动悬架的应用场景多为复杂的灾后环境，本研究仍需要通过更为复杂的地形模型进行仿真试验，同时为保证本悬架更好地实现其“主动”能力，应对悬架添加角度、加速度和陀螺仪等传感器，并通过试验优化和运动学计算，进一步对单纵臂式主动悬架的运动性能进行优化。本悬架的设计与研究能够扩大救援移动机器人的应用范围，具有较强的研究价值。