【《水陆两栖机器人三维模型的虚拟仿真分析案例》2800字】

水陆两栖机器人三维模型的虚拟仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u7778水陆两栖机器人三维模型的虚拟仿真分析案例 148621.1引言 1117581.2仿真模型的初步验证 1214451.2.1第一次仿真实验 170391.2.2第二次仿真实验 32591.2.3第三次仿真实验 784641.3整车仿真 10314991.5小结 111.1引言本章将使用SolidWorks中的motion模块对机器人的运动进行仿真分析，并输出各类特性曲线，分析其运动特点。1.2仿真模型的初步验证在仿真建模过程中，不可避免要对各种复杂元素进行简化处理，这种简化思路的终极目标是不牺牲仿真精度、还提升仿真效率。由此，对所建三维模型进行一定的简化是必须的，其基本原则是：应使对仿真对象运动特性无关的零部件尽量简化，降低仿真计算的时间，提高仿真效率；在进行虚拟仿真时，应尽量使运动特点符合实际，在对配合约束进行设置时，应对应实际配合方式。1.2.1第一次仿真实验基于以上原则，提出了对三维模型的第一次仿真实验，主要简化方式为：本次仿真对象为对机器人的地面行进部分，即履带的运动特性，因此对与其无关的其他机构应尽量简化，在第一次仿真实验中，对第三章所述模型进行修改，将履带等运行机构删去，保留车体主体结构并另存为一个零件以减少计算量，简化结果如图1.1所示。图1.1机器人车身（模型一）在完成车体简化后，还需对履带本身进行修改，第三章所建履带为一个刚性零件，不能按所预想的方式进行运动。因此，对履带本身进行分节建模，以铰链的方式进行连接，模型修改结果及连接方式如图1.2所示。图1.2履带节及其铰链连接方式（模型一）对修改后的整车模型进行重新合并，如图1.3所示，主动轮与履带以齿轮齿条的方式进行连接，主动轴动力经此传递至履带，履带与地面摩擦驱使机器人往前运动。图1.3仿真模型（模型一）对主动轮添加旋转马达，设置速度为100RPM，并对主动轮和履带节添加碰撞，以模拟实际啮合运动。在进行运算后，模型长时间为显示计算结果，查看模型自由度如图1.4所示。图1.4模型自由度（模型一）综合模型自由度，初步推测仿真失败的原因为：模型本身较复杂，计算难度大；基于碰撞的啮合方式虽符合实际运动方式，但其约束较低，自由度大，导致仿真困难。因此，应进一步简化模型，由此提出第二次仿真实验。1.2.2第二次仿真实验在第二次仿真实验中，决定舍去车体外形，只保留与运动特性相关的参数，查询原模型车体的参数如表所示。表1.3模型车体运动参数质量（kg）810质心（m）（0.08,0.18,0）惯性矩主轴方向I（0.99,0.10,0）I（0,0,-1）I（-0.1，0.99，0）主惯性矩（kg*m3P71.33P197.58P241.07新建一个简化的车体零部件以代替原车体，并将上表所列的参数导入到新模型中，如图1.5所示。图1.5机器人车身（模型二）为减低运算难度，决定对履带进行简化，减少履带节数，增加每节履带长度，参考链条连接方式，将履带节分为内外履带板，并通过铰链连接，简化后的履带节及其铰链连接方式如图1.6所示。图1.6履带节及其铰链连接方式（模型二）在修改为履带节后，还需对与其啮合的主从动轮进行修改，将主从动轮由28齿降至5齿，保留凹槽用以推动履带节，简化后的主从动轮如图1.7所示。图1.7主从动轮简化模型（模型二）将进一步简化后的模型进行组合，如图1.8所示，主动轮与履带以齿槽接触的方式进行连接，主动轴动力经此传递至履带，履带与地面摩擦驱使机器人往前运动。图1.8仿真模型（模型二）对主动轮添加旋转马达，设置速度为100RPM，并对主动轮和履带板间添加碰撞，以模拟实际啮合运动。在进行运算后，模型未能按照预想动作运动并显示报错，如图1.9所示。图1.9运动报错给出的报错提示如下：1)积分器没能取得指定的精度。降低Motion分析属性中的精度。

2)如果模型中的零件快速移动，应经常评估雅可比值。

3)机构可能已锁定。以不同的初始配置开始模拟或者更改马达设置以获得有效的运动。如果在模拟开始时就出现故障，可使用较小的初始积分器步长。

5)尝试使用更严格的积分器，如[WSTIFF]。

6)尝试在模型中避免激烈断续性，如突然运动变化、变化或启用/禁用配合。

7)如使用速度极高的马达，可尝试降低马达的速度。

8)确定任何时候只有一个马达在驱动某一零部件。推测仿真失败的原因为“积分器没能收敛”。分析履带运动的本质是每节履带以一定的轨迹移动，可以尝试变换配合方式，提出第三次仿真实验。1.2.3第三次仿真实验在此次仿真实验中，将变换之前的配合方式，使履带边缘转轮在一定轨迹上移动，在车体上拉伸出凸台与转轮作凸轮配合，修改后的车身模型如图1.10所示。图1.10机器人车身（模型三）使用第二次实验中建立的履带模型，并与车体添加凸轮配合，装配后的机器人模型如图1.11所示。图1.11仿真模型（模型三）在履带板表面添加一个常量力获得速度变量velocity后，修改力表达式为5000*（1-{velocity}），使履带保持1m/s的速度运动，开始仿真后模型顺利计算结束，并输出履带板的速度曲线和马达的力曲线如图1.12（a）和（b）所示。图a履带板速度曲线（力）图b马达力曲线（力）图1.12履带板的速度与力的仿真分析马达的力曲线可知该曲线可分为三段，第一段为0s-1s，受力履带板由车体前上位置越至前下位置，平均力幅值为50N；第二段为1s-3s，受力履带板由车体前下位置越至后上位置，平均力幅值为75N；第三段为3s-5s，受力履带板由车体后上位置越至前上位置，平均力幅值为80N。为验证该模型的正确性，现采用另一种驱动方式使履带运动。取消上一模型中添加的力，改用路径配合马达驱动，使履带以固定值1m/s的速度运动，输出的履带板速度曲线和马达的力曲线如图1.13（a）和（b）所示。图a履带板速度曲线（路径）图b马达力曲线（路径）图1.13履带板的速度与力的仿真对比以上图解可知，使用力驱动与路径马达驱动所得出的曲线图大致相同，因此可初步判断第三次仿真实验的正确性，之后将采用路径马达的驱动方式做整体模型的仿真实验。1.3整车仿真将上一节所述的路径马达驱动方式应用到两侧履带，设置两侧路径马达等速以1.5m/s的速度驱动，并在每节履带板和地面之间添加接触，接触系数如下：表1.3履带板与地面接触系数动态摩擦速度ν10.16mm/s动态摩擦系数μ0.1静态摩擦速度ν0.1mm/s静态摩擦系数μ0.15弹性属性冲击模型刚度k2856N/mm指数e1.1最大阻尼c0.49N/(mm/s)穿透度d0.1mm运行仿真5s，得出仿真结果，获得各类仿真图解如下：图1.14两侧路径马达力如图1.14所示为两侧履带路径马达力曲线，红色曲线为左侧，蓝色曲线为右侧，可以看出，在匀速前进下，两侧马达所用力基本相同，在初始加速阶段马达力曾达到4000N，匀速后马达力保持在0-1000N波动。图1.15车体前进速度如图1.15所示为车体前进速度曲线，可以看出，在马达开始作用后，车体经0.25s的短暂抖动后，以匀加速加速至1.5m/s。图1.16车体动能如图1.16所示为车体动能曲线，可以看出，车体加速至1.5m/s后动能为900J左右，符