水陸兩棲機(jī)器人三維模型的虛擬仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7778水陸兩棲機(jī)器人三維模型的虛擬仿真分析案例 148621.1引言 1117581.2仿真模型的初步驗(yàn)證 1214451.2.1第一次仿真實(shí)驗(yàn) 170391.2.2第二次仿真實(shí)驗(yàn) 32591.2.3第三次仿真實(shí)驗(yàn) 784641.3整車仿真 10314991.5小結(jié) 111.1引言本章將使用SolidWorks中的motion模塊對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，并輸出各類特性曲線，分析其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。1.2仿真模型的初步驗(yàn)證在仿真建模過程中，不可避免要對(duì)各種復(fù)雜元素進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，這種簡(jiǎn)化思路的終極目標(biāo)是不犧牲仿真精度、還提升仿真效率。由此，對(duì)所建三維模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化是必須的，其基本原則是：應(yīng)使對(duì)仿真對(duì)象運(yùn)動(dòng)特性無關(guān)的零部件盡量簡(jiǎn)化，降低仿真計(jì)算的時(shí)間，提高仿真效率；在進(jìn)行虛擬仿真時(shí)，應(yīng)盡量使運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)符合實(shí)際，在對(duì)配合約束進(jìn)行設(shè)置時(shí)，應(yīng)對(duì)應(yīng)實(shí)際配合方式。1.2.1第一次仿真實(shí)驗(yàn)基于以上原則，提出了對(duì)三維模型的第一次仿真實(shí)驗(yàn)，主要簡(jiǎn)化方式為：本次仿真對(duì)象為對(duì)機(jī)器人的地面行進(jìn)部分，即履帶的運(yùn)動(dòng)特性，因此對(duì)與其無關(guān)的其他機(jī)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化，在第一次仿真實(shí)驗(yàn)中，對(duì)第三章所述模型進(jìn)行修改，將履帶等運(yùn)行機(jī)構(gòu)刪去，保留車體主體結(jié)構(gòu)并另存為一個(gè)零件以減少計(jì)算量，簡(jiǎn)化結(jié)果如圖1.1所示。圖1.1機(jī)器人車身（模型一）在完成車體簡(jiǎn)化后，還需對(duì)履帶本身進(jìn)行修改，第三章所建履帶為一個(gè)剛性零件，不能按所預(yù)想的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)履帶本身進(jìn)行分節(jié)建模，以鉸鏈的方式進(jìn)行連接，模型修改結(jié)果及連接方式如圖1.2所示。圖1.2履帶節(jié)及其鉸鏈連接方式（模型一）對(duì)修改后的整車模型進(jìn)行重新合并，如圖1.3所示，主動(dòng)輪與履帶以齒輪齒條的方式進(jìn)行連接，主動(dòng)軸動(dòng)力經(jīng)此傳遞至履帶，履帶與地面摩擦驅(qū)使機(jī)器人往前運(yùn)動(dòng)。圖1.3仿真模型（模型一）對(duì)主動(dòng)輪添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，設(shè)置速度為100RPM，并對(duì)主動(dòng)輪和履帶節(jié)添加碰撞，以模擬實(shí)際嚙合運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行運(yùn)算后，模型長(zhǎng)時(shí)間為顯示計(jì)算結(jié)果，查看模型自由度如圖1.4所示。圖1.4模型自由度（模型一）綜合模型自由度，初步推測(cè)仿真失敗的原因?yàn)椋耗Ｐ捅旧磔^復(fù)雜，計(jì)算難度大；基于碰撞的嚙合方式雖符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)方式，但其約束較低，自由度大，導(dǎo)致仿真困難。因此，應(yīng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，由此提出第二次仿真實(shí)驗(yàn)。1.2.2第二次仿真實(shí)驗(yàn)在第二次仿真實(shí)驗(yàn)中，決定舍去車體外形，只保留與運(yùn)動(dòng)特性相關(guān)的參數(shù)，查詢?cè)Ｐ蛙圀w的參數(shù)如表所示。表1.3模型車體運(yùn)動(dòng)參數(shù)質(zhì)量（kg）810質(zhì)心（m）（0.08,0.18,0）慣性矩主軸方向I（0.99,0.10,0）I（0,0,-1）I（-0.1，0.99，0）主慣性矩（kg*m3P71.33P197.58P241.07新建一個(gè)簡(jiǎn)化的車體零部件以代替原車體，并將上表所列的參數(shù)導(dǎo)入到新模型中，如圖1.5所示。圖1.5機(jī)器人車身（模型二）為減低運(yùn)算難度，決定對(duì)履帶進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少履帶節(jié)數(shù)，增加每節(jié)履帶長(zhǎng)度，參考鏈條連接方式，將履帶節(jié)分為內(nèi)外履帶板，并通過鉸鏈連接，簡(jiǎn)化后的履帶節(jié)及其鉸鏈連接方式如圖1.6所示。圖1.6履帶節(jié)及其鉸鏈連接方式（模型二）在修改為履帶節(jié)后，還需對(duì)與其嚙合的主從動(dòng)輪進(jìn)行修改，將主從動(dòng)輪由28齒降至5齒，保留凹槽用以推動(dòng)履帶節(jié)，簡(jiǎn)化后的主從動(dòng)輪如圖1.7所示。圖1.7主從動(dòng)輪簡(jiǎn)化模型（模型二）將進(jìn)一步簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行組合，如圖1.8所示，主動(dòng)輪與履帶以齒槽接觸的方式進(jìn)行連接，主動(dòng)軸動(dòng)力經(jīng)此傳遞至履帶，履帶與地面摩擦驅(qū)使機(jī)器人往前運(yùn)動(dòng)。圖1.8仿真模型（模型二）對(duì)主動(dòng)輪添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，設(shè)置速度為100RPM，并對(duì)主動(dòng)輪和履帶板間添加碰撞，以模擬實(shí)際嚙合運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行運(yùn)算后，模型未能按照預(yù)想動(dòng)作運(yùn)動(dòng)并顯示報(bào)錯(cuò)，如圖1.9所示。圖1.9運(yùn)動(dòng)報(bào)錯(cuò)給出的報(bào)錯(cuò)提示如下：1)積分器沒能取得指定的精度。降低Motion分析屬性中的精度。

2)如果模型中的零件快速移動(dòng)，應(yīng)經(jīng)常評(píng)估雅可比值。

3)機(jī)構(gòu)可能已鎖定。以不同的初始配置開始模擬或者更改馬達(dá)設(shè)置以獲得有效的運(yùn)動(dòng)。如果在模擬開始時(shí)就出現(xiàn)故障，可使用較小的初始積分器步長(zhǎng)。

5)嘗試使用更嚴(yán)格的積分器，如[WSTIFF]。

6)嘗試在模型中避免激烈斷續(xù)性，如突然運(yùn)動(dòng)變化、變化或啟用/禁用配合。

7)如使用速度極高的馬達(dá)，可嘗試降低馬達(dá)的速度。

8)確定任何時(shí)候只有一個(gè)馬達(dá)在驅(qū)動(dòng)某一零部件。推測(cè)仿真失敗的原因?yàn)椤胺e分器沒能收斂”。分析履帶運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)是每節(jié)履帶以一定的軌跡移動(dòng)，可以嘗試變換配合方式，提出第三次仿真實(shí)驗(yàn)。1.2.3第三次仿真實(shí)驗(yàn)在此次仿真實(shí)驗(yàn)中，將變換之前的配合方式，使履帶邊緣轉(zhuǎn)輪在一定軌跡上移動(dòng)，在車體上拉伸出凸臺(tái)與轉(zhuǎn)輪作凸輪配合，修改后的車身模型如圖1.10所示。圖1.10機(jī)器人車身（模型三）使用第二次實(shí)驗(yàn)中建立的履帶模型，并與車體添加凸輪配合，裝配后的機(jī)器人模型如圖1.11所示。圖1.11仿真模型（模型三）在履帶板表面添加一個(gè)常量力獲得速度變量velocity后，修改力表達(dá)式為5000*（1-{velocity}），使履帶保持1m/s的速度運(yùn)動(dòng)，開始仿真后模型順利計(jì)算結(jié)束，并輸出履帶板的速度曲線和馬達(dá)的力曲線如圖1.12（a）和（b）所示。圖a履帶板速度曲線（力）圖b馬達(dá)力曲線（力）圖1.12履帶板的速度與力的仿真分析馬達(dá)的力曲線可知該曲線可分為三段，第一段為0s-1s，受力履帶板由車體前上位置越至前下位置，平均力幅值為50N；第二段為1s-3s，受力履帶板由車體前下位置越至后上位置，平均力幅值為75N；第三段為3s-5s，受力履帶板由車體后上位置越至前上位置，平均力幅值為80N。為驗(yàn)證該模型的正確性，現(xiàn)采用另一種驅(qū)動(dòng)方式使履帶運(yùn)動(dòng)。取消上一模型中添加的力，改用路徑配合馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，使履帶以固定值1m/s的速度運(yùn)動(dòng)，輸出的履帶板速度曲線和馬達(dá)的力曲線如圖1.13（a）和（b）所示。圖a履帶板速度曲線（路徑）圖b馬達(dá)力曲線（路徑）圖1.13履帶板的速度與力的仿真對(duì)比以上圖解可知，使用力驅(qū)動(dòng)與路徑馬達(dá)驅(qū)動(dòng)所得出的曲線圖大致相同，因此可初步判斷第三次仿真實(shí)驗(yàn)的正確性，之后將采用路徑馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)方式做整體模型的仿真實(shí)驗(yàn)。1.3整車仿真將上一節(jié)所述的路徑馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用到兩側(cè)履帶，設(shè)置兩側(cè)路徑馬達(dá)等速以1.5m/s的速度驅(qū)動(dòng)，并在每節(jié)履帶板和地面之間添加接觸，接觸系數(shù)如下：表1.3履帶板與地面接觸系數(shù)動(dòng)態(tài)摩擦速度ν10.16mm/s動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)μ0.1靜態(tài)摩擦速度ν0.1mm/s靜態(tài)摩擦系數(shù)μ0.15彈性屬性沖擊模型剛度k2856N/mm指數(shù)e1.1最大阻尼c0.49N/(mm/s)穿透度d0.1mm運(yùn)行仿真5s，得出仿真結(jié)果，獲得各類仿真圖解如下：圖1.14兩側(cè)路徑馬達(dá)力如圖1.14所示為兩側(cè)履帶路徑馬達(dá)力曲線，紅色曲線為左側(cè)，藍(lán)色曲線為右側(cè)，可以看出，在勻速前進(jìn)下，兩側(cè)馬達(dá)所用力基本相同，在初始加速階段馬達(dá)力曾達(dá)到4000N，勻速后馬達(dá)力保持在0-1000N波動(dòng)。圖1.15車體前進(jìn)速度如圖1.15所示為車體前進(jìn)速度曲線，可以看出，在馬達(dá)開始作用后，車體經(jīng)0.25s的短暫抖動(dòng)后，以勻加速加速至1.5m/s。圖1.16車體動(dòng)能如圖1.16所示為車體動(dòng)能曲線，可以看出，車體加速至1.5m/s后動(dòng)能為900J左右，符