基于麦克纳姆轮全向移动分析与仿真研究_王凯强.pdf

年第期基于麦克纳姆轮全向移动分析与仿真研究王凯强（江苏省徐州经贸高等职业学校，江苏 徐州 ）摘要：本文对飞机发动机拆装车车轮麦克纳姆轮的特性进行分析，对其布局进行详细介绍，通过仿真分析软件 对正常行使时前后、左右、原地旋转工况进行运动仿真分析，创新的展示出移动机构中心的速度变化和位置变化，直观的揭示了其运动原理，对其他工况的分析有一定的借鉴意义。关键词：飞机发动机拆装车；麦克纳姆轮；中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；作者简介：王凯强（），男，江苏徐州人，硕士，主要研究车辆及零部件的数字化设计与制造。前言全向移动是指在平面上保证移动机构身位不改变的情况下，移动机构可以实现前后方向的运动、左右方向的运动、以及绕机构中心原地旋转的运动。具有全向移动能力的机构可以在平面上沿着任意轨迹运动，最终到达所需要的任何特定位置。麦克纳姆轮特性分析根据麦克纳姆轮的特点：麦克纳姆轮的圆周辊子的轴线与车轮的轴线有一定的夹角，这个夹角为，因此麦克纳姆轮在移动的过程中产生的驱动力可以分解为两个方向的分力，分别是辊子与地面接触点的径向分力和辊子的轴向分力，辊子轴向的分力可以使麦克纳姆轮具备沿轴向和径向运动的趋势，辊子与地面接触点的径向分力会让麦克纳姆轮产生与地面接触的辊子具有绕自己轴向转动的能力。麦克纳姆轮的布局麦克纳姆轮有多种布局方式，目前最常见的麦克纳姆轮布局是四个麦克纳姆轮的矩形布置，典型四轮布置形式如图所示，这种布置结构能使机构在运动时比较平稳，在速度较低时能够承载较大的载荷，并且这种结构比较稳定，在运动情况下，能够保证整个全向移动机构在较平稳的状态下运行。考虑到整个全向移动机构的加工制造能力和控制系统的统一性，现阶段全向移动的麦克纳姆轮采用同样的结构参数，在安装时有多种布置方式，但是最常见的麦克纳姆轮布置方式为正反两种安装方式，全向移动的辊子偏转角为。矩形结构的布置方式有如下六种布置，其中 表示移动机构的麦克纳姆轮，麦克纳姆轮中间的斜线表示周边的辊子轴线方向，四个麦克纳姆轮的偏置角之间的关系有：、。呈现矩形布置四轮全向移动机构需要满足下面条件才能实现全向移动。图典型的四轮布局形式（）全向移动机构的雅可比矩阵 列满秩，即 （），那么全向移动机构才具有全向移动的可能。如表所示。表典型四轮的雅可比矩阵的秩布局 矩阵的秩 DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.011内燃机与配件 （）全向移动机构应当在三个自由度方向上实现良好、稳定的驱动性能。由表所列的数据可以看出，在六种布置的布局形式中，只有前面的两种布局（）与布局（）的布局形式的雅可比矩阵的矩阵的秩为满秩，其余的布置形式的矩阵的秩为，不满足矩阵满秩的条件。根据能够实现全向移动的条件，布局形式在满足矩阵满秩的情况下，还需要让全向移动机构在车轮轴向转动、辊子与地面接触点和自身的轴向三个自由度方向上都具有优良的驱动能力。下图典型的四轮布置形式，图（）和图（）都满足雅可比矩阵满秩，本次采用图（）的方案布置进行分析。四轮全向移动机构运动学仿真根据讨论的基于麦克纳姆轮全向移动理论的布局与运动机理，把模型放在 进行验算，分析出针对不同工况下麦克纳姆轮四轮行进机构的不同运动状态。并且移动机构全向移动的特性是根据正确的麦克纳姆轮结构和合理的布局方式为基础来运动的，需要对基于麦克纳姆轮的全向移动机构在正常工况下进行虚拟样机仿真，避免正常使用工作过程中出现一些问题。全向移动虚拟样机建立步骤以计算机为平台的虚拟样机仿真技术一般包括三个步骤，分别是前处理、分析计算、后处理。前处理主要是进行简化模型和分析设置，是虚拟样机仿真的重要部分，直接决定虚拟样机分析结果的质量，分析计算主要是根据相关的计算参数或者设置相关的函数进行计算，后处理是将分析出的结果采用合适的曲线进行呈现出来，并且进行分析呈现出来的结果。建立虚拟样机虚拟样机的建立有两种方法，第一种是利用系统自带的建模软件进行直接建模，但自身自带的建模软件 比较方便建立简单的模型，对于复杂的模型比较困难；第二种是 利 用 专 门 的 三 维 建 模 软 件（、等）进行建模，然后再利用系统自身的兼容接口将建立好的简化模型导入 软件里。所以本文采用第二种方法，先在 里建立相关的模型，然后再通过兼容接口导入 里进行仿真，因为通过专门的三维建模软件 建立的模型比较准确，能够正确的反映各个零件的属性，得到的仿真指标也比较接近实际的值。设置工作环境选择移动机构的坐标系为笛卡尔坐标系，系统的单位为 （，），取重力加速度为 ，并且将每个构件赋予不同的名称、材料、颜色，这样容易进行方便选择与管理。定义运动副根据移动机构运动原理可以设置每个麦克纳姆轮都进行四轮独立驱动，每个轮子都有自己独有的驱动电机，并且麦克纳姆轮圆周处的辊子都会绕自身的轴线进行转动，所以辊子与辊子轴，轮毂与轮毂轴设置旋转副，并且将框架、轮毂轴、辊子轴、辊子支架利用布尔操作将其合并为同一个几何体。施加载荷由于移动机构在运动过程中麦克纳姆轮的辊子与地面接触产生接触力，需要在辊子与地面之间添加特殊的载荷 接触。将移动平台的简化模型导入分析软件中，并且参照经验设置具体的参数，正常状态工况根据移动机构的移动规律和运动布置图，分别对每个麦克纳姆轮添加一定的驱动来进行移动机构的仿真。分析移动机构在前后方向、左右方向、原地旋转方向的运动进行仿真。前后运动仿真移动机构在前后方向运动时，四个麦克纳姆轮的转速有，所以在进行设置的时候，分别在四个麦克纳姆轮上分别添加旋转驱动副，并且设置其转速为（），然后通过 后 处 理 模 块 查 看 仿 真 后 的 曲 线，如 图 和 图 所示。图移动机构中心径向与侧向速度图移动机构中心在 三个方向的位置变化从上图和图可以得到，移动机构沿着前进方向（方向）运动时，移动机构的速度趋于稳定时在定值附近做微量的波动，波动幅度很小。在方向存在平均值为零的很小速度振动。移动机构 方向的位移变化是一条斜率不变的直线，在 方向位置的位置有很小的变化，可以忽略。在这种情况下，表明移动机构为前后方向的平动。左右运动仿真移动机构在左右进行运动时，每个麦克纳姆轮的转向有（）。所以在每个车轮上分别添加旋转运动副，并且速度为 （），（），根据后处理模块查看仿真结果曲线如图和图所示。年第期图移动机构中心径向与侧向速度图移动机构中心在 三个方向的位置变化从上图可以得到，移动机构的中心沿着左右方向（方向）最后趋于 并且存在上下微量的波动。在 方向的速度在零线方向波动。从图可以看出，移动机构方向的位移变化是一条斜率不变的直线，并且在、方向的位移量呈现一条直线，说明、方向位置没有发生变化。所以在这种情况下，移动机构只在左右方向进行平动。原地旋转运动移动机构做原地旋转运动时，每个麦克纳姆轮的转速有（）（），其中大小相等，但是方向不同，所以在每个麦克纳姆轮设置旋转驱动副，并且速度为（），（），运行求解后通过后处理模块打开仿真结果曲线如图和图所示。图移动机构中心角速度图移动机构中心在 三个方向的位置变化从图和图可以看出，平台中心的角速度趋于定值，并在其上下进行微量波动，在、方向的位置变化曲线基本上没有变化，做模拟仿真时，没有将移动机构设置在坐标原点，所以会出现数值没有在原点的情况，但移动机构在原地进行旋转时，移动机构的、方向的位置都没有变化，说明移动机构做原地旋转运动，移动机构中心的位置不发生任何变化。结束语本文叙述飞机发动机拆装车的移动机构是基于麦克纳姆轮的移动机构，详细介绍了麦克纳姆的的技术参数、布置方式，并且应用仿真分析软件 对其前后、左右、原地旋转运动进行仿真分析，直观展示出机构中心点的角速度变化及位置变化，对其他工况的方针分析有一定的借鉴意义，但是具体细节部分需要进一步改进，并且下一步可以利用多种工况进行对比分析，进一步优化运动过程。参考文献：朱浩基于麦克纳姆轮的全向重载移动技术研究南京航空航天大学，李永辉基于油气悬架和 轮全向移动平台车平顺性优化与研究湖南大学，阎世梁三轮全向机器人运动特性分析工业控制计算机，（）：朱浩基于麦克纳姆轮的全向重载移动技术研究南京航空航天大学，吕伟文全向移动机器人结构分析与设计东南大学，石维亮，王兴松，贾茜基于 轮的全向移动机器人的研制机械工程师，（）：