履帶式移動(dòng)機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

1、 履帶式移動(dòng)機(jī)器人方案設(shè)計(jì) 2青島中集集裝箱制造有限公司 山東 青島 266599摘要：本文以履帶式移動(dòng)機(jī)器人在多種復(fù)雜環(huán)境地形上的高通過性、高適應(yīng)性的共性問題為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)提出可變形履帶式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法、機(jī)器人與地面的交互作用機(jī)理等問題，形成一種履帶式移動(dòng)機(jī)器人多地形通過性和適應(yīng)性的設(shè)計(jì)方法和評價(jià)機(jī)制，為履帶式移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究提供重要的理論方法和支撐。關(guān)鍵詞：履帶；機(jī)器人；理論方法1 前言近年來，履帶式移動(dòng)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如何提高該類機(jī)器人的高通過性和多地形適應(yīng)性，目前則成為與該機(jī)器人相關(guān)的研究關(guān)鍵和前沿問題。此外，當(dāng)面對更多更復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)時(shí)，單一

2、機(jī)器人無法完成，需要多個(gè)機(jī)器人合作起來共同完成任務(wù)。本文以履帶式移動(dòng)機(jī)器人在多種復(fù)雜環(huán)境地形上的高通過性、高適應(yīng)性的共性問題為出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)提出可變形履帶式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法、機(jī)器人與地面的交互作用機(jī)理等問題。本文的研究將為履帶式移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的真正實(shí)用化提供重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)解決途徑。2 履帶可變角度的移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法針對履帶式移動(dòng)機(jī)器人多種復(fù)雜地形的環(huán)境條件和功能要求，提出一種可變形履帶式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法，采用該設(shè)計(jì)方法下的移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)不同的環(huán)境地形，可實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的本體姿態(tài)，從而使機(jī)器人具備良好的多地形通過性和越障穩(wěn)定性。機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)分析機(jī)器人通過兩直流伺服

3、電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)的履帶輪，使兩個(gè)履帶輪分別帶動(dòng)左右兩條履帶轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人直線前進(jìn)、后退等基本運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)是通過兩條履帶的差速驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)的，通過對機(jī)器人兩履帶不同轉(zhuǎn)速的設(shè)置，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎等，如圖1所示。圖1 機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)分析以上所分析的機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)形式與左右兩條履帶運(yùn)行方向之間的關(guān)系如圖2所示。（a）履帶運(yùn)行方向 （b）車體基本運(yùn)動(dòng)圖2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式示意圖 機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)模式分析當(dāng)機(jī)器人越障或攀越樓梯時(shí)，關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前殼體繞關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，使前后兩殼體之間形成一定的角度，此時(shí)該移動(dòng)機(jī)器人類似于四履帶機(jī)器人。圖3所示為機(jī)器人爬樓梯的整個(gè)過程，樓梯是履帶式移動(dòng)機(jī)

4、器人實(shí)際作業(yè)中的一種典型障礙物，通過對爬樓梯過程的分析，可對機(jī)器人的越障提供參考。（a）靠近樓梯 （b）爬梯前姿態(tài)調(diào)整（c）行駛于樓梯上 （d）到達(dá)樓梯頂部 （e）完成爬梯圖3 機(jī)器人爬樓梯姿態(tài)調(diào)整示意圖 機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)建針對履帶式移動(dòng)機(jī)器人多復(fù)雜地形的作業(yè)環(huán)境問題，提出履帶可變角度的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主要包括：前、后殼體、履帶、用于移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用于姿態(tài)調(diào)整的關(guān)節(jié)電機(jī)、履帶輪、以及履帶形態(tài)調(diào)整裝置等，如圖4所示。兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在后殼體的尾部，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)履帶輪；關(guān)節(jié)電機(jī)安裝在前后兩殼體的連接處，當(dāng)履帶機(jī)器人在前行過程中遇到障礙物或攀爬樓梯時(shí)，控制系統(tǒng)則控制關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前殼體繞關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)一定

5、的角度，從而使機(jī)器人越過障礙物或攀越樓梯。履帶被動(dòng)伺服調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)方法針對履帶式移動(dòng)機(jī)器人本體姿態(tài)變化時(shí)履帶容易出現(xiàn)松弛或者脫落現(xiàn)象，提出一種履帶被動(dòng)伺服調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。其結(jié)構(gòu)由壓帶輪機(jī)構(gòu)、固定支撐架、活動(dòng)支撐架和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)四部分組成。固定支撐架一端固定連接在機(jī)器人的本體上，另一端與活動(dòng)支撐架通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相連接，每一個(gè)壓帶輪采用彈性連接的方式安裝在活動(dòng)支撐架上，對每一個(gè)壓緊輪在安裝時(shí)施加一定的預(yù)緊力，以保證壓緊履帶，這種技術(shù)處理的優(yōu)點(diǎn)在于可使每個(gè)壓緊輪無論何時(shí)都能與履帶接觸，而且當(dāng)關(guān)節(jié)出現(xiàn)角度的變化時(shí)，又能使壓緊裝置處的一段履帶以弧線的形態(tài)與帶輪嚙合。該方法巧妙利用關(guān)

6、節(jié)動(dòng)作時(shí)履帶變角度所產(chǎn)生的力之間的相互作用關(guān)系，使履帶上的齒在履帶運(yùn)動(dòng)過程中能很好地嚙合在帶輪上，從而有效地解決履帶松弛或脫落的問題。圖5 履帶被動(dòng)伺服調(diào)節(jié)裝置簡圖3 機(jī)器人與地面交互作用機(jī)理分析針對移動(dòng)機(jī)器人工作現(xiàn)場的地形與地質(zhì)特性，應(yīng)綜合運(yùn)用有限元分析方法與地面力學(xué)相關(guān)理論知識(shí)，分析機(jī)器人履帶與工作地面交互作用的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，研究環(huán)境地形支撐機(jī)器人通過性和適應(yīng)性的評價(jià)問題。 機(jī)器人作業(yè)環(huán)境特征分析及通過性評價(jià)影響機(jī)器人作業(yè)地面通過性的環(huán)境參數(shù)包括濕度、密度、內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)、內(nèi)聚力等，以上參數(shù)對機(jī)器人地面環(huán)境通過性的影響各不相同。應(yīng)重點(diǎn)選取內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)、內(nèi)聚力等參數(shù)來分析機(jī)器

7、人地面環(huán)境通過性，通過檢測移動(dòng)機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行中的中心速度、加速度、車輪角速度、輪陷量、驅(qū)動(dòng)力矩等內(nèi)部信息，利用牛頓一拉普森方法結(jié)合的地面計(jì)算力學(xué)公式，求出相應(yīng)的內(nèi)摩擦角和附著力，進(jìn)而得到機(jī)器人地面環(huán)境通過性評價(jià)的特征參數(shù)。 機(jī)器人履帶與地面交互作用機(jī)理分析基于計(jì)算地面力學(xué)的基本理論，對履帶與地面交互作用機(jī)理進(jìn)行分析。圖6所示為履帶與土壤地面交互作用的幾何關(guān)系，由于履帶與土壤地面之間為軟接觸，因此履帶與土壤地面接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的變形，故將履帶與土壤地面的相互作用情況分為三部分分析：第一部分為后殼體從動(dòng)輪與土壤地面的相互作用，如圖abc 段，該部分同輪子與土壤地面作用相類似；第二部分是中間履帶與

8、土壤地面的相互作用，如圖cdef 段，此時(shí)履帶與土壤地面之間為弧形接觸；第三段是后殼體驅(qū)動(dòng)輪與土壤地面的相互作用，如圖fgh段，該部分與第一部分的區(qū)別為作用于驅(qū)動(dòng)輪下的地面是前面從動(dòng)輪作用之后的再加載，此時(shí)對垂直應(yīng)力和剪切應(yīng)力的求解也發(fā)生了變化。圖6 履帶與地面交互作用幾何關(guān)系 履齒與地面交互作用機(jī)理分析研究履齒與土壤地面交互作用機(jī)理，通過一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬履齒及土塊在外力作用下的受力和變形情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析建立履帶齒與土壤地面的交互作用模型，該模型更加精確地反映履齒的結(jié)構(gòu)尺寸對履帶牽引性能的影響，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示， 為履齒的正上方所施加的垂直方向的壓力，同時(shí)也是履帶對土壤地面的壓力， 為對履帶施加的水平作用力， 可使履帶發(fā)生水平移動(dòng)，用于模擬機(jī)器人在運(yùn)行過程中所發(fā)生的履帶滑移現(xiàn)象。圖7 履齒與土壤地面作用受力圖4 總結(jié)本文重點(diǎn)提出可變形履帶式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法、機(jī)器人與地面的交互作用機(jī)理等問題，形成一種履帶式移動(dòng)機(jī)器人多地形通過性和適應(yīng)性的設(shè)計(jì)方法和評價(jià)機(jī)制,這將為履帶式移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的真正實(shí)用化提供重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)解決途徑。參考文獻(xiàn)1. 田海波,