模块化履带机器人的设计与越障过程分析

模块化履带机器人的设计与越障过程分析

0足式和履带式机器人之间的比较地面移动机器可以取代人类完成各种复杂任务，如反恐反应、矿产勘探、军事调查等。传统地面移动机器人按照其移动形式可分为轮式、足式、履带式移动机器人。轮式机器人以其较高的移动速度及较好的运动平稳性被广泛使用，但受限于车轮尺寸，其越障能力有限；足式机器人具有出色的越障性能，对环境适应能力强，但是控制系统较为复杂，其移动稳定性比轮式机器人略低；相比于轮式机器人和足式机器人，履带式机器人兼具两者优点，不仅具有较好的移动能力，还具有出色的越障能力，但是其机动性较差，能耗相对较高。履带式机器人具有接地比压小、支撑面大、传动效率高、牵引力强等优点，适合在各种复杂地形环境工作，但其履带模块控制系统较为复杂。本文提出一种具有多移动模式、拆卸方便、易于控制的模块化欠驱动行星履带机器人，以欠驱动的形式简化履带模块复杂程度，提高履带机器人的环境适应能力。1模块化条件设计模块化行星履带机器人整机结构模型设计如图1所示，机器人整机结构呈对称状态，4个履带模块两两对称分布在车体两侧，每个履带模块由电机单独驱动，通过单片机控制机器人完成行走、转弯、越障等功能。3种履带形式如图2所示。对单一模块化履带按照机械限位进行快速堆叠，可以得到双行星履带和三行星履带。其中单行星履带形式能耗较低，移动速度快，但稳定性较差，适合在荆棘、碎石等不平坦路面移动；双行星履带形式越障性能出色，但是质心波动较大，适合在连续障碍下移动；三行星履带形式移动稳定性好，越障能力出色，但能耗高，所需电机扭矩大。行星履带具有传递功率大、结构紧凑、易于控制等优点。模块化履带轮结构如图3所示，每个模块化履带由驱动轮、从动轮、限位板、张紧装置等组成。模块化履带轮两侧设置有六均分的限位，能完美契合双行星轮、三行星轮履带形式。模块化履带设置有张紧装置，不仅便于拆卸，还可以通过调节松紧程度改变行走速度以及行走动力。为方便快速拆卸模块化履带轮，使用3种不同长度的轴联接车体与轮体。模块化行星履带机器人有履带式、摇臂腿式、异形轮式3种移动模式。当机器人遇到较高障碍时，履带模块会自动切换成摇臂腿模式越障，摇臂腿式移动相对于履带式移动具有优秀的越障能力；当机器人通过杂草、枯枝、碎石等复杂路面时，驱动轮与履带之间容易被卡住，此时机器人履带模块自由度变为1，即履带模块整体可以视为一个异形轮，在电机带动下机器人会以异形轮移动模式继续前进，异形轮移动模式所需电机扭矩大，但其不会堵转，可以对电机起到一定的保护作用。对以上运动分析可以看出，欠驱动行星履带不仅可以随地形变化自由切换移动模式，还可以降低控制系统复杂程度，提高越障能力。2界坐标系ox履带式移动机器人相对其他机器人具有出色的越障稳定性，现针对不同高度的障碍对本文所提履带式机器人进行越障能力分析，计算机器人的最大越障高度以及所需电机扭矩。(1）低障碍通过性分析当障碍物高度H≤r时，机器人会以履带模式越障，以双行星履带为例，双行星轮低障碍受力分析图如图4所示，以履带模块主动轮圆心为坐标原点建立机器人坐标系oxy，以履带模块与障碍物接触点为参照建立世界坐标系OXY，单独对履带模块进行分析，设其重心在xoy坐标系中的坐标为（x对式（1）二阶求导可以得到在X、Y轴方向的加速度由矢量力学原理可得力和力矩平衡公式式中m———履带轮质量，kg;J———履带模块转动惯量，kg·m机器人越障临界条件为地面对机器人履带模块前从动轮的地面支持力N临界条件下代入机器人参数可知，当H≤r时，式中μμ初始状态下行星架与履带夹角β与行星架与地面夹角λ相等。其几何关系为通过分析可以得出，当障碍高度H≤r时，机器人履带模块从动轮会直接跨上障碍，机器人以履带模式越障。(2）高障碍通过性分析当障碍物高度H>r时，机器人会以摇臂腿式越障，此时从动轮会顶住障碍物，驱动轮在电机驱动下会绕从动轮旋转以翻越障碍。以三行星履带轮运动为例，前从动轮顶住障碍，中间从动轮和后从动轮会在驱动轮的作用下绕前从动轮中心转动，以摇臂腿模式越障。三行星履带高障碍受力分析图如图5所示，则其力和力矩平衡公式机器人在越障临界条件下地面对后从动轮支持力N所以，当机器人移动碰到较高障碍时，在电机驱动下，履带模块会以摇臂腿式越障，且最大越障高度通过对以上履带形式越障过程进行分析可以看出，机器人最大越障高度与行星架长度以及从动轮半径大小有关，行星架越长，从动轮越大，越障高度越大，但是其所需电机扭矩也越大。3条件3种仿真对模块化行星履带机器人进行越障能力仿真分析，机器人整机参数：通过以上分析得出，当障碍物高度H≤r时，3种履带形式下的机器人会以履带模式越过障碍，以双行星轮履带移动模式为例，仿真结果如图6所示。当障碍物高度H>r且不超过其极限越障高度时，机器人会以摇臂腿模式越障，以三行星履带移动模式为例，仿真结果如图7所示。通过仿真实验发现，机器人在低障碍、高障碍情况下都具有较好的通过性，其运动过程与理论分析一致。4欠驱动设计特点对模块化行星履带机器人进行理论分析和仿真实验验证，得到以下结果：(1）基于差动轮系原理，设计一种欠驱动行星履带机器人，可根据地形自适应调整移动模式，提高在复杂地形的