履带移动机器人

智能机器人概论履带移动机器人爬梯原理背景介绍随着现代军事的发展和反恐战争需要,移动机器人具有可以执行侦查、巡逻、反恐和排爆等高危险性工作的特点,其应用前景越来越广泛。移动机器人在工作中最常见的障碍就是楼梯,所以攀爬楼梯是移动机器人适应结构化环境所必备的功能。分析具有前关节臂的履带式移动机器人的爬梯机理,以及机器人上下楼梯的步态。机器人爬梯机理分析机器人攀爬楼梯的过程可分为两个环节第一个环节是如何使机器人翻越第一个台阶面，使机器人完全由地面支撑变为完全由楼梯台阶支撑；第二个环节是在楼梯上的连续爬行。机器人爬梯机理分析第一个环节可由两个步骤实现第一步：在机器人关节臂搭到台阶面以后，向下摆动关节臂，使机器人中间主体的前半部分脱离地面，直到关节臂的下侧履带与主体下侧履带齐平，此时机器人将由台阶与地面共同支撑；第二步：机器人沿着台阶面向前行进，直到机器人重心越过台阶面，机器人绕台阶面瞬间翻转，使机器人完全由楼梯支撑。两个步骤的实现都需要满足一定的几何条件及力学条件。机器人爬梯机理分析攀爬步骤机器人爬梯机理分析设L1为关节臂履带的有效接地长度；H为台阶高度，实现第一步的几何条件为：L1>H几何条件为只要关节臂履带的有效接地长度大于台阶高度，就可以有一个合适的角度使关节臂搭到台阶面，从而为把机器人抬离地面做准备。脱离地面的几何条件机器人爬梯机理分析把机器人的力学模型简化为2根质杆AB和BC，其中AB为关节臂，BC为机器人中间主体，B点位转动关节。机器人中间主体脱离地面的瞬间，可描述为杆AB绕A点的转动与杆BC绕动点B转动相结合的过程。脱离地面的力学条件机器人爬梯机理分析以机器人整体为研究对象，N1

为地面对机器人的支撑力;N2

台阶面对关节臂的支撑力;G1

为机器人中间主体的重力;G2

为关节臂的重力;α1为机器人中间主体绕B点转动的角加速度;α2为关节臂绕A点转动的角加速度；F1

与M1

为中间主体的惯性力向其质心简化后的惯性力主矢和主矩;F2

与M2

为关节臂的惯性力向其转动中心简化后的惯性力主矢和主矩;f1

与f2

是地面对机器人的摩擦力。脱离地面的力学条件达朗贝尔原理定义：作用于一个物体的外力与动力的反作用之和等于零公式：F+（-Ma）+N=0………..(式1)

其中M，a为物体质量和加速度，F为物体受到的直接外力，N为物体受到的约束反作用力（也是外力）。在没有约束时，相应的N=0，式1成为：F-Ma=0……(式2)∑MC(F)=0N2L3+f2L5+M2-F2L3-G2L2-F1L4-G1X+M1=0第一步的实现与楼梯台阶的高度、机器人关节臂的长度和重心位置、机器人中间主体长度和重心位置、履带驱动轮半径、关节臂的驱动力矩以及接触面性质有关。关节臂的驱动力矩越大,接触面越粗糙,机器人就越容易实现第一步。在机器人质量不变的情况下,机器人中间主体的加长、机器人整体重心位置向C点的靠近以及履带驱动轮半径变大,都有利于第一步的实现。在这些因素中,关节臂的长度变化对第一步的影响最复杂。在其它因素都不变的情况下,设关节臂的驱动力矩为M,则近似有:

由上式可知，必然会有一个合适的关节臂长L1使得N2L3最大，使机器人更容易实现第一步，把机器人抬离地面是成功攀爬楼梯的基础，而第二步，使机器人的重心越过台阶面才是成功的关键。以机器人中间主体后轮的轴心O为原点，建立笛卡尔坐标系，机器人的重心在该坐标系下的坐标为（X0，Y0）,后轮半径R，则机器人重心越过台阶面的几何条件可近似为：翻越的几何条件机器人重心的位置与机器人主体履带轮的半径,是影响机器人能否翻越台阶的主要因素,减小机器人主体履带轮的半径和降低、前移机器人重心都有利于机器人翻越台阶。机器人攀爬楼梯的第二个环节的实现主要与机器人的长度有关。设L6为机器人中间主体有效接地长度；T为台阶楼梯宽度,只有满足如下条件,机器人才可以实现连续攀爬。机器人长度总结综上所述,以上公式即为具有前关节臂履带式移动机器人可连续攀爬楼梯的必要条件。通过分析可知,机器人重心位置、机器人履带驱动轮半径及