履帶機(jī)器人研究

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1、 履帶機(jī)器人研究 院 系 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 負(fù)責(zé)教師 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院 2008年6月 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 在危險(xiǎn)作業(yè)、星球探索、地震救災(zāi)、自然資源探查等領(lǐng)域內(nèi)，非結(jié)構(gòu)環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人的研究有著廣泛的應(yīng)用前景和社會(huì)需求。 移動(dòng)機(jī)構(gòu)屬于空間機(jī)構(gòu)，與平面機(jī)構(gòu)、工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)有較大差別，同時(shí)也存在密切聯(lián)系。本文通過(guò)研究平面機(jī)構(gòu)綜合理論和工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)理論，分析輪、腿

2、、履帶典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)，將平面機(jī)構(gòu)綜合和工業(yè)機(jī)器人中的概念外延到移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，并將機(jī)構(gòu)組合的方法應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合上。 文中依據(jù)復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合方法，針對(duì)特定任務(wù)要求的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，設(shè)計(jì)了基于復(fù)合機(jī)構(gòu)的履帶腿式非結(jié)構(gòu)環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人，并對(duì)履帶腿式移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)作了介紹。 由于履帶式與輪式運(yùn)動(dòng)特性的巨大差異，重點(diǎn)分析了履帶式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中地面對(duì)履帶的影響，特別是轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)彎阻力的影響，并且建立動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)。針對(duì)機(jī)器人“履帶——關(guān)節(jié)”的特殊結(jié)構(gòu)，分析了機(jī)器人在典型地形下的通過(guò)性。 關(guān)鍵詞：非結(jié)構(gòu)環(huán)境；移動(dòng)機(jī)構(gòu)；機(jī)構(gòu)綜合；履帶移動(dòng)機(jī)器人 Abs

3、tract The mobile robots have the broad prospect of application and the social demand in the fields like performing hazardous tasks, exploring outer space, rescuing after earthquakes, exploring natural resources. The mobile robots in the unstructured environment require moving mechanism with better

4、mobility. The moving mechanism is spatial mechanism. There are great differences, meanwhile the close ties between the moving mechanism and the planar mechanism and industrial robot. On the basis of referring and comprehending the amount of literature, the author studied the synthesis theory of p

5、lanar mechanism and of industrial robots and then analyses the characteristics of typical moving mechanism, the wheel, the leg and the track. According to the synthesis principles for compounded moving mechanism and the analysis of characteristics of the unstructured environment, the author designe

6、d the track-leg mobile robot and presented the structure of the mobile robot system in detail. According to great difference of moving performance between track robot and wheel robot, this thesis puts emphasis on the analysis of the effect between the track and the environment, especially the curve

7、 resistance of the robot. The dynamics model of the track mobile robot is, founded and validated by simulation and experiment. Aiming at the special structure of the robot, track-joint, the overpass ability in typical terrain is analyzed. Keywords: unstructured environment；moving mecha

8、nism；mechanism synthesis；mobile robot 目 錄 1 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2國(guó)內(nèi)外微小型機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3 主要研究?jī)?nèi)容 3 2 總體設(shè)計(jì)方案 5 2.1 引言 5 2.2 履帶體部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 2.3 履帶搖臂部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 2.4 電機(jī)的選擇 8 3 零件校核 9 3.1 齒輪2-40a的校核 9 3.2 軸的校核 14 4 履帶式地面移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 19 4.1 引言 19 4.2 直線運(yùn)動(dòng)分析 19 4.2.1直線運(yùn)動(dòng)速度分析 19 4.2.2整體受力分析 20 4.2.3運(yùn)

9、動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型 21 4.3 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)分析 22 4.3.1轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 23 4.3.2轉(zhuǎn)向阻力分析 26 4.3.3 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力分析 29 5 機(jī)器人在典型地形的運(yùn)動(dòng)分析 30 5.1 引言 30 5.1.1斜坡行駛 30 5.1.2重心分布 31 5.1.3跨越壕溝 32 5.2 機(jī)器人上下臺(tái)階運(yùn)動(dòng)研究 32 5.2.1機(jī)器人上障礙物運(yùn)動(dòng)分析 33 5.2.2機(jī)器人下臺(tái)階運(yùn)動(dòng)分析 37 5.2.3機(jī)器人上樓梯情況分析 41 結(jié)束語(yǔ) 42 參考文獻(xiàn) 43 致 謝 44 VI 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1

10、 緒論 1.1 研究背景 國(guó)際上的科學(xué)家、戰(zhàn)略思想家和未來(lái)學(xué)家們認(rèn)為：“五種常常重疊的技術(shù)最有可能在今后15-20年使軍隊(duì)發(fā)生革命性的變化。這五種技術(shù)為：機(jī)器人技術(shù)、先進(jìn)的動(dòng)力與推進(jìn)技術(shù)、微小型化技術(shù)、移動(dòng)和白適應(yīng)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、迅速發(fā)展的生物科學(xué)?！蔽⑿⌒蜔o(wú)人系統(tǒng)就是二十世紀(jì)九十年代美國(guó)等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家開(kāi)始發(fā)展的融合了這些技術(shù)的新概念裝備，它不但在基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)技術(shù)等方面是革命性創(chuàng)新，而目對(duì)二十一世紀(jì)戰(zhàn)爭(zhēng)的模式將會(huì)帶來(lái)變革性的影響。 二十一世紀(jì)的戰(zhàn)場(chǎng)，戰(zhàn)爭(zhēng)的初期極可能是一場(chǎng)無(wú)人系統(tǒng)的較量。永不疲倦、無(wú)所畏懼的微小型無(wú)人系統(tǒng)是最理想的士兵。它們已在戰(zhàn)爭(zhēng)中顯示出的作戰(zhàn)木領(lǐng)，可以完成偵

11、察、近距離戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、近距離電子干擾、排雷、防化、后勤支援、直接作戰(zhàn)等任務(wù)。微小型無(wú)人系統(tǒng)由于體積小、隱蔽性好、快速反應(yīng)、機(jī)動(dòng)性好、生存能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，特別適用于城市和惡劣環(huán)境下(如核、生、化戰(zhàn)場(chǎng)等)的局部戰(zhàn)爭(zhēng)和信息戰(zhàn)爭(zhēng)，具有下述重大意義和軍事效益：(1)減少人員傷亡，補(bǔ)充、加強(qiáng)和支援人員作戰(zhàn)；(2)能進(jìn)行士兵難以進(jìn)行的作戰(zhàn)任務(wù)；(3)提高武器效費(fèi)比，降低軍費(fèi)開(kāi)支；(4)提高作戰(zhàn)能力，倍增軍事力量；(5)用微小型武器對(duì)付傳統(tǒng)武器，導(dǎo)致未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)出現(xiàn)“尺度不均衡戰(zhàn)爭(zhēng)”；(6)微小型無(wú)人系統(tǒng)還會(huì)對(duì)作戰(zhàn)模式、體制編制以及作戰(zhàn)戰(zhàn)法產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。 微小型地面移動(dòng)軍用機(jī)器人系統(tǒng)作為微小型無(wú)人系統(tǒng)一個(gè)不

12、可缺少的組成部分，世界各國(guó)都有各自獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)性的微小型地面移動(dòng)軍用機(jī)器人系統(tǒng)。美國(guó)國(guó)防部2000年就把微小型無(wú)人系統(tǒng)列在“軍用關(guān)鍵技術(shù)”清單中，并將研制的微小型地面移動(dòng)軍用機(jī)器人投放于阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中，取得很好的作戰(zhàn)效果。因此，展開(kāi)對(duì)微小型地面移動(dòng)軍用機(jī)器人系統(tǒng)的研制，將填補(bǔ)我軍裝備空白，有利于提高我軍裝備的戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視和戰(zhàn)場(chǎng)偵察等信息化作戰(zhàn)能力，對(duì)我軍無(wú)人地面作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制、乃至我軍未來(lái)陸戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展都具有重要的戰(zhàn)略意義。同時(shí)，該系統(tǒng)在民用上也有廣泛的應(yīng)用，如巡邏，防暴，檢測(cè)等，對(duì)于反恐、捍衛(wèi)國(guó)家主權(quán)和領(lǐng)土完整都有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。 1.2 國(guó)內(nèi)外微小型機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 在微小型地面移動(dòng)機(jī)器人的研

13、究方面，美、英、德、法、日等國(guó)家都走在世界的前列，這些國(guó)家都有自己獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)性的微小型地面移動(dòng)機(jī)器人計(jì)劃，各國(guó)都積極地把民用領(lǐng)域已有的技術(shù)應(yīng)用于軍事。美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家的微小型遙控?zé)o人地面移動(dòng)機(jī)器人的研制取得了突破性的進(jìn)展，在一些危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)中已經(jīng)取得了實(shí)際應(yīng)用，部分小型遙控移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)裝備部隊(duì)用于戰(zhàn)場(chǎng)，如:iRobot公司的Packbot，F(xiàn)oster-Miller公司的Solem, Talon , Mesa Associate、公司的MATILDA 等，其中最典型的為:iRobot公司的Packbot。 美國(guó)的iRobot實(shí)驗(yàn)室是在美國(guó)處于領(lǐng)先地位的微小型無(wú)人地面移動(dòng)機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)

14、實(shí)驗(yàn)室之一，其研制的單兵便攜式遙控地面武器機(jī)動(dòng)平臺(tái)Packhot被美國(guó)軍方視為輕型無(wú)人偵查、戰(zhàn)術(shù)用機(jī)動(dòng)平臺(tái)的模板引。Packbot為履帶式平臺(tái)，長(zhǎng)0.87m，寬0.51m，高0.18m，自重18kg，最大速度14km/hr，一次充電行駛里程10km，最大涉水深度3m，遙控移動(dòng)，并有一定的自主移動(dòng)能力，預(yù)留5個(gè)載荷設(shè)施接口，可搭載機(jī)械手、小型武器及其他裝備，主要用于偵察、戰(zhàn)術(shù)實(shí)施，如反地道、近距離丁擾等。安裝有輔助轉(zhuǎn)臂履帶，因此Packbot越障能力極強(qiáng)，能爬60度的坡度樓梯，有多種越障方式，能越過(guò)比自身高度大許多的地障礙，可以從任何顛覆狀態(tài)下恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)。輔助臂可以拆卸，便于單兵攜帶。平

15、臺(tái)穩(wěn)固，抗沖擊能力極強(qiáng)，可經(jīng)受400G的沖擊，從2m高度摔下來(lái)不會(huì)損壞，可從窗戶或者低空直升機(jī)拋出。 各國(guó)選擇的基本上都是一條遙控微小型地面移動(dòng)機(jī)器人與自主微小型地面移動(dòng)機(jī)器人相結(jié)合的發(fā)展道路，實(shí)力較強(qiáng)的國(guó)家都制定了自己的近期和長(zhǎng)期計(jì)劃，同時(shí)開(kāi)展遙控及自主微小型地面移動(dòng)機(jī)器人的研制工作，不斷將自主無(wú)人武器地面機(jī)動(dòng)平臺(tái)的成果用于遙控微小型地面移動(dòng)機(jī)器人，以促進(jìn)遙控微小型地面移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用化，而遙控微小型地面移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用反過(guò)來(lái)又促進(jìn)自主微小型地面移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展。 但是微小型地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究也遇到了以下技術(shù)瓶頸：1)對(duì)野外環(huán)境的感知技術(shù)不夠成熟；2)計(jì)算機(jī)的信息傳輸和處理速度滿足不

16、了技術(shù)發(fā)展的要求；3)傳感器采集的各種環(huán)境數(shù)據(jù)的信息融合效果可靠性較差；4)現(xiàn)在的人工智能技術(shù)及其他智能技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到實(shí)現(xiàn)機(jī)器人完全走向自主的能力；5)可攜帶的能源問(wèn)題對(duì)于微小型移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)挑戰(zhàn)；6)通信距離較短及通信的安全可靠信還不能滿足戰(zhàn)場(chǎng)的需要。 目前，國(guó)內(nèi)對(duì)微小型地面移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究基本上是空白，對(duì)這方面的了解相當(dāng)部分停留在文獻(xiàn)上，微小型地面移動(dòng)機(jī)器人的傳感器、導(dǎo)航定位、控制及其本體設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)方面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)微小型地面移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展步伐。許多家國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)現(xiàn)在也開(kāi)始從微小型地面移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)及簡(jiǎn)單控制入手。由于微小型地面移動(dòng)機(jī)器人在

17、機(jī)動(dòng)性、越野性等方面與有人車輛有很大不同，國(guó)外在這方面做了深入研究，但國(guó)內(nèi)尚末開(kāi)展這方面的研究。 1.3 主要研究?jī)?nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要研究?jī)?nèi)容為開(kāi)發(fā)便攜式履帶移動(dòng)機(jī)器人，如圖1.1、1.2所示。圖1.1所示的是未安裝蓋的履帶機(jī)器人，圖1.2所示的是安裝蓋后的履帶機(jī)器人。機(jī)器人主體長(zhǎng)550mm，寬330mm，加上輔助用搖臂長(zhǎng)度可達(dá)810mm，輪高170mm。該機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，采用車體一體化設(shè)計(jì)，全鋁材料，便于攜帶；小巧、快速、靈活；采用“履帶——關(guān)節(jié)”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，越野能力和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)；動(dòng)力強(qiáng)勁。 圖1.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖1.2外型圖

18、 本課題的主要研究?jī)?nèi)容為一些基礎(chǔ)性研究，很多的工作還處于仿真階段。研究?jī)?nèi)容主要是設(shè)計(jì)一種能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的履帶式機(jī)器人。履帶式的轉(zhuǎn)彎特性與輪式的有很大的區(qū)別，并且機(jī)器人為微小型，眾多的外界因素不可忽略，因此這一部分的分析對(duì)于以后的設(shè)計(jì)、控制起到很大的輔助作用。同時(shí)該機(jī)器人采取了“履帶——關(guān)節(jié)”結(jié)構(gòu)，極大的增強(qiáng)了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，分析了該結(jié)構(gòu)的對(duì)于典型環(huán)境的適應(yīng)能力，這對(duì)于機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)(特別是尺寸及其重心的安排)提供了理論支持。 2 總體設(shè)計(jì)方案 2.1 引言 履帶式移動(dòng)機(jī)器人的主要特點(diǎn)是兩個(gè)履帶獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)有，運(yùn)動(dòng)越障性好，可以原地轉(zhuǎn)動(dòng)，在不平的路面上運(yùn)動(dòng)性能良好，可以通過(guò)

19、松軟路面。缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度緩慢，速度和方向不能單獨(dú)控制，摩擦力很大，能量損失大，需要保持履帶的張緊。 我們要設(shè)計(jì)一種能夠在有障礙物、不平地面的環(huán)境下行駛的移動(dòng)機(jī)器人。這些環(huán)境很復(fù)雜，例如普通地面，由于土質(zhì)不同，可以分為沙土、軟浮土、碎石地面、寬闊的石頭等；障礙物的形式也有很多，例如石塊、土丘、傾倒的樹(shù)木、熔巖;向下的臺(tái)階可以由橫亙的河道、地面斷層、土坑、隕石坑等形成。在移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮這些實(shí)際工作環(huán)境，恰當(dāng)?shù)倪x擇移動(dòng)機(jī)構(gòu)。 我們可以選擇多種移動(dòng)機(jī)構(gòu)，但是其接地曲線的構(gòu)成應(yīng)當(dāng)采用兩段或三段。為了使移動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠完成翻身、越障、狹小地段原地轉(zhuǎn)彎的能力，移動(dòng)機(jī)器人的接地曲線不能復(fù)雜，采

20、用兩段移動(dòng)履帶較為合適。這樣機(jī)構(gòu)不是非常復(fù)雜，可以減少驅(qū)動(dòng)部件，同時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)越障等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。 將履帶機(jī)器人分成三個(gè)部分，兩個(gè)履帶體，一個(gè)中間體，如圖2.1，2.2所示。 兩個(gè)履帶體分別是履帶本體部分和搖臂部分，搖臂部分輔助本體部分完成翻身、越障、爬樓梯、跨越壕溝的功能。 圖2.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖2.2搖臂展開(kāi)圖 2.2 履帶本體部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 主運(yùn)動(dòng)電機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)齒輪組減速后傳遞給主動(dòng)帶輪，主動(dòng)帶輪上掛有履帶。減速齒輪組包括三個(gè)齒輪，傳動(dòng)比為2：1。

21、 1-搖臂部分；2-履帶部分；3-齒輪2-40a；4-齒輪2-40b；5-齒輪2-20a；6-電機(jī)。 圖2.3結(jié)構(gòu)示意圖 履帶本體的動(dòng)力是由電機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)齒輪組減速后傳遞給帶輪，帶輪再傳遞給履帶而得到的。減速齒輪組包括三個(gè)齒輪，傳動(dòng)比為2：1。電機(jī)輸出軸與齒輪2-20a之間有一個(gè)軸，軸上加工有一個(gè)D形孔，與電機(jī)的輸出軸連接。齒輪2-20a與軸之間用一個(gè)鍵連接。為了便于驅(qū)動(dòng)搖臂部分，將齒輪2-40a上的軸制作成空心軸。此軸用兩個(gè)鍵與齒輪2-20a連接，同樣用兩個(gè)鍵與帶輪連接。帶輪上安裝履帶本體，完成履帶本體的驅(qū)動(dòng)。 2.3 履帶搖臂部分機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

22、 1-搖臂部分；2-齒輪2-40b；3-齒輪2-20b；4-墊圈、螺釘；5-電機(jī) 圖2.4結(jié)構(gòu)示意圖 履帶搖臂部分與履帶本體部分由不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。履帶搖臂部分的動(dòng)力是由電機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)齒輪減速后傳遞給帶輪，帶輪再傳遞給履帶而得到的。減速齒輪傳動(dòng)比為2：1。齒輪2-20b的內(nèi)部也是一個(gè)D形孔，與電機(jī)的輸出軸連接，實(shí)現(xiàn)了它的軸向連接。在齒輪2-20b上切一個(gè)平臺(tái)，鉆一個(gè)直徑為1.5的螺紋孔，用一個(gè)頂絲固定，實(shí)現(xiàn)了齒輪的徑向夾緊。動(dòng)力通過(guò)齒輪傳遞給軸，軸上用四個(gè)螺釘與筋板連接，控制搖臂的上下擺動(dòng)（如圖

23、2.5）。筋板與帶輪之間用止推軸承連接，防止軸向的滑動(dòng)。 1 2 3 1-螺釘；2-軸；3-筋板 圖2.5搖臂示意圖 2.4 電機(jī)的選擇 設(shè)履帶與地面摩擦系數(shù)=0.5,整個(gè)機(jī)器人重6kg,平均每個(gè)履帶體承受8kg質(zhì)量，由受力圖可知，牽引力與摩擦力相等， 主動(dòng)帶輪的扭矩為 （2.1） 設(shè)機(jī)器人行進(jìn)速度為5m/min,則主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速為 （2.2） 為計(jì)算方便取10r/min,主動(dòng)帶

24、輪輸出功率為 （2.3） 查表（機(jī)械原理116頁(yè)表5-1）得齒輪副傳動(dòng)效率為0.98，軸承傳動(dòng)效率為0.97，反推電機(jī)輸出功率得： （2.4） 考慮機(jī)器人要進(jìn)行爬坡、翻越臺(tái)階等動(dòng)作，所以電機(jī)選擇2444型電機(jī)，轉(zhuǎn)速為23r/min,輸出扭矩為7Nm，輸出功率37W。 3 零件的校核 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的便攜式地面移動(dòng)機(jī)器人的零件比較多，均利用SolidWorks軟件的COSMOSWorks校核功能對(duì)零件進(jìn)行受力分析。這里僅以齒輪2-40a和軸為例，介紹校核結(jié)果。 3.1 齒輪2-40a的校核力 1.載荷：如

25、圖3.1所示，表示的是齒輪2-40a在一個(gè)齒上的受力情況。 圖3.1載荷分布 2.研究屬性： 表1--網(wǎng)格信息 網(wǎng)格類型: 實(shí)體網(wǎng)格 所用網(wǎng)格器: 標(biāo)準(zhǔn) 自動(dòng)過(guò)渡: 關(guān)閉 光滑表面: 打開(kāi) 雅各賓式檢查: 4 Points 要素大小: 4.4644 mm 公差: 0.22322 mm 品質(zhì): 高 要素?cái)?shù): 19776 節(jié)數(shù): 32074 表2--解算器信息 品質(zhì): 高 解算器類型: FFE 選項(xiàng): 包括熱力效果 熱力選項(xiàng): 輸入溫度 熱力選項(xiàng): 零應(yīng)變時(shí)的參考溫度: 298 Kelvin 3.應(yīng)力結(jié)果：

26、 表3—應(yīng)力分析 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 圖3.2解析 VON:von Mises 應(yīng)力 0.519309 N/m^2 節(jié): 29842 (12.9787 mm, -39.9444 mm, 18 mm) 53240.7 N/m^2 節(jié): 25829 (-15.331 mm, 34.6432 mm, 2 mm) 圖3.2應(yīng)力圖解 4. 應(yīng)變結(jié)果 表4—應(yīng)變分析 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 圖3.3解析 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 2.27625e-012 要素: 16261 (13.1

27、26 mm, -39.5834 mm, 1.46992 mm) 1.64634e-007 要素: 10407 (-14.8863 mm, 34.4656 mm, 1.5304 mm) 圖3.3應(yīng)變分析 5. 位移結(jié)果 表5—位移 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 圖3.4解析 URES:合力位移 0 m 節(jié): 1 (4 mm, 14.4568 mm, -2.5 mm) 2.2741e-009 m 節(jié): 993 (-18.3868 mm, 37.7615 mm, 16 mm) 圖3.4 位移

28、分析 6. 變形結(jié)果 表6—變形 1 3.8704e+006 圖3.5 變形分析 7. 設(shè)計(jì)檢查結(jié)果 圖3.6檢查結(jié)果 8. 附錄 材料名稱: [SW]普通碳鋼 說(shuō)明: 材料來(lái)源: 所使用的 SolidWorks 材質(zhì) 材料庫(kù)名稱: solidworks materials 材料模型類型: 線性彈性同向性 表7—附錄 屬性名稱 數(shù)值 單位 數(shù)值類型 彈性模量 2.1e+011 N/m^2 恒定 普阿松比率 0.28 NA 恒定 抗剪模量 7.9e+010 N/m^2 恒定 質(zhì)量密度

29、7800 kg/m^3 恒定 張力強(qiáng)度 3.9983e+008 N/m^2 恒定 屈服強(qiáng)度 2.2059e+008 N/m^2 恒定 熱擴(kuò)張系數(shù) 1.3e-005 /Kelvin 恒定 熱導(dǎo)率 43 W/(m.K) 恒定 比熱 440 J/(kg.K) 恒定 3.2 軸的校核結(jié)果 1. 載荷： 軸受彎矩和扭矩兩種力矩，彎矩的力矩較小，這里只介紹軸所受的扭矩分析。 圖3.7軸的扭矩示意圖 2.研究屬性 表8—屬性 網(wǎng)格信息 網(wǎng)格類型: 實(shí)體網(wǎng)格 所用網(wǎng)格器: 標(biāo)準(zhǔn) 自動(dòng)過(guò)渡: 關(guān)閉 光滑表面: 打開(kāi) 雅各賓

30、式檢查: 4 Points 要素大小: 4.2506 mm 公差: 0.21253 mm 品質(zhì): 高 要素?cái)?shù): 7734 節(jié)數(shù): 13273 表9-解算器信息 品質(zhì): 高 解算器類型: FFE 選項(xiàng): 包括熱力效果 熱力選項(xiàng): 輸入溫度 熱力選項(xiàng): 零應(yīng)變時(shí)的參考溫度: 298 Kelvin 3. 應(yīng)力結(jié)果 表10—應(yīng)力分析 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 圖3.8解析 VON:von Mises 應(yīng)力 1204.9 N/m^2 節(jié): 160 (40 mm, 0 mm, 280 mm)

31、1.8597e+008 N/m^2 節(jié): 4834 (1.56101e-014 mm, 5 mm, 15 mm) 圖3.8應(yīng)力分析 4. 應(yīng)變結(jié)果 表11—應(yīng)變分析 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 圖3.9解析 ESTRN :對(duì)等應(yīng)變 5.53344e-009 要素: 3270 (-39.2971 mm, -1.5636 mm, 271.452 mm) 0.000680109 要素: 2429 (-0.193217 mm, 4.72909 mm, 15.6805 mm) 圖3.9應(yīng)變

32、分析 5. 位移結(jié)果 表12—位移 名稱 類型 最小 位置 最大 位置 圖3.10解析 URES:合力位移 0 m 節(jié): 54 (-30 mm, -7.98716e-015 mm, 280 mm) 0.000330815 m 節(jié): 743 (-1.04189 mm, -5.90885 mm, 0 mm) 圖3.10位移分析 6.變形結(jié)果 表13—變形 1 84.877 圖3.11變形分析 7. 設(shè)計(jì)檢查結(jié)果 圖3.12檢查結(jié)果 8. 附錄 材料名稱: [SW]普通碳鋼 說(shuō)明:

33、 材料來(lái)源: 所使用的 SolidWorks 材質(zhì) 材料庫(kù)名稱: SolidWorks 材質(zhì) 材料模型類型: 線性彈性同向性 表14—附錄 屬性名稱 數(shù)值 單位 數(shù)值類型 彈性模量 2.1e+011 N/m^2 恒定 普阿松比率 0.28 NA 恒定 抗剪模量 7.9e+010 N/m^2 恒定 質(zhì)量密度 7800 kg/m^3 恒定 張力強(qiáng)度 3.9983e+008 N/m^2 恒定 屈服強(qiáng)度 2.2059e+008 N/m^2 恒定 熱擴(kuò)張系數(shù) 1.3e-005 /Kelvin 恒定 熱導(dǎo)率 43 W/

34、(m.K) 恒定 比熱 440 J/(kg.K) 恒定 4 履帶式地面移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 4.1 引言 履帶式地面移動(dòng)機(jī)器人由于機(jī)械結(jié)構(gòu)與輪式有很大的不同，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型與輪式機(jī)器人有很大的區(qū)別。分析其運(yùn)動(dòng)過(guò)程，特別是轉(zhuǎn)彎過(guò)程對(duì)于機(jī)器人的設(shè)計(jì)、性能分析和控制有很大的意義。 4.2分析了直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中履帶相對(duì)于車體的速度關(guān)系、機(jī)器人的整體受力情況并且建立了動(dòng)力學(xué)模型；4.3分析了履帶車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中履帶、體的運(yùn)動(dòng)及相互關(guān)系，地面和履帶之間的縱向作用力和橫向阻力的性質(zhì)及計(jì)算方法。 4.2 直線運(yùn)動(dòng)分析 4.2.1直線運(yùn)動(dòng)速度分析 機(jī)器人前進(jìn)由于履帶的特殊性，

35、使得對(duì)其分析比較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，假定機(jī)器人的履帶為不可拉伸的而且十分柔軟的帶子，帶子上的所有點(diǎn)都位于同一個(gè)平面內(nèi)。 設(shè)履帶相對(duì)于機(jī)器人的卷繞速度為Vx，履帶隨車體一起前進(jìn)的牽連速度為Vq，履帶上的某一點(diǎn)的絕對(duì)速度Vj應(yīng)為相對(duì)速度和牽連速度的向量和，如圖4. 1所示。 圖4.1直線運(yùn)動(dòng)圖 （4. 1） 理論狀態(tài)下，履帶接地段的絕對(duì)速度為0，而履帶上半部的絕對(duì)速度為2Vx。然而，機(jī)器人在實(shí)際行駛過(guò)程中，總是伴隨著滑移和滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。 當(dāng)履帶的卷繞速度不等于坦克車體的牽連速度時(shí)，接地段產(chǎn)生滑動(dòng)，其絕對(duì)速度不等于0，即: 。

36、 在自動(dòng)推進(jìn)的履帶中，，，此時(shí)履帶接地段沿機(jī)器人相反的方向滑動(dòng)，稱為滑轉(zhuǎn)。 在靠慣性運(yùn)動(dòng)的履帶中，。此時(shí)履帶接地段沿機(jī)器人行駛相同方向滑動(dòng)，稱之為滑移。 對(duì)式(4. 1)進(jìn)行微分，就可以得到履帶上任何一點(diǎn)的絕對(duì)加速度: （4.2） 當(dāng)機(jī)器人等勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，履帶上部的水平段和上部的接地段的加速度都為0，對(duì)于前后兩側(cè)輪沿上的點(diǎn)，其切向加速度為0，向心加速度為。 4.2.2整體受力分析 為研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其動(dòng)力性能，必須首先研究外部環(huán)境對(duì)機(jī)器人的影響。這些影響主要表現(xiàn)為空氣、土壤及安裝設(shè)備對(duì)其的影響。機(jī)器人行駛過(guò)程中受到的外力：重

37、力、空氣阻力、地面法向反力，地面變形阻力及牽引力。 重力W：假設(shè)機(jī)器人左右兩部分完全對(duì)稱，所以機(jī)器人的重心在其縱向?qū)ΨQ面上。 空氣阻力：由于機(jī)器人的體型較小，而且速度不快，故空氣阻力可以忽略不計(jì)。 地面變形阻力R：由于機(jī)器人地面法向反力的存在，機(jī)器人駛過(guò)時(shí)，地面會(huì)有變形并且有一定的彈性形變。地面變形的情況很復(fù)雜，它與機(jī)器人履帶的材質(zhì)、地面狀況、機(jī)器人壓力分布，履帶張力，行駛速度等都有很大的關(guān)系。根據(jù)尼基金等著的“坦克理論”一書(shū)，當(dāng)?shù)孛鏋榻^對(duì)塑性時(shí)，我們可得： （4.3） 其中F1為一側(cè)履帶的負(fù)荷W/2，L為履帶接地長(zhǎng)度，c為

38、地面垂直變形的剛性模數(shù)，與土壤性質(zhì)有關(guān)，b為履帶寬度，d為負(fù)重輪直徑。 上式是由很多簡(jiǎn)化和假設(shè)得到的，而實(shí)際情況相當(dāng)復(fù)雜，所以只能用于分析其影響因素。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，地面變形阻力與機(jī)器人對(duì)地面的法向負(fù)荷成正比： （4.4） Q為機(jī)器人對(duì)地面的法向負(fù)荷，為機(jī)器人行駛的地面變形阻力系數(shù)。 機(jī)器人牽引力F：機(jī)器人前進(jìn)時(shí)，當(dāng)電機(jī)工作時(shí)它輸出的扭矩通過(guò)減速器傳給主動(dòng)輪，在主動(dòng)輪扭矩的作用下，后部工作履帶被拉緊，并試圖使接地段履帶從后負(fù)重輪下拉出。 由于這段履帶被機(jī)器人重量壓在地面上，引起接地段與地面之間的相互作用，地面對(duì)履帶

39、的縱向作用力(機(jī)器人與履帶無(wú)相對(duì)滑動(dòng))，這就是推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)的牽引力，也是機(jī)器人的主要外力。 地面對(duì)履帶的縱向作用力和地面的物理性質(zhì)、履帶的滑移、滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。履帶車輛在越野路面行駛時(shí)，履帶和土壤相互作用，履帶所受到的反力來(lái)自于履帶使土壤產(chǎn)生剪應(yīng)力而引起的反力，地面對(duì)車輛的縱向推力F=。地面對(duì)車輛的最大推力F。取決于土壤的最大抗剪強(qiáng)度。 （4. 5） 式中，A—履帶接地段面積，G—車輛重量，c—粘性系數(shù)，—內(nèi)聚角，對(duì)于純粘土(如飽和粘土)，，，對(duì)于純摩擦土壤(如干沙)，，。 在粘性土壤中要增加車輛推進(jìn)力，只有增加履帶接地

40、段的面積，與車輛的重量無(wú)關(guān)；而對(duì)于摩擦性上壤，若要增加車輛推進(jìn)力，只有增加車輛的重量，而與履帶接地段的面積無(wú)關(guān)。所以對(duì)于泥濘地面，則需增加履帶的寬度，而對(duì)于干沙地面或者碎石地面，則需要增加機(jī)器人的負(fù)載，這樣才能提高機(jī)器人對(duì)不同路面的通過(guò)性。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)力：對(duì)于電機(jī)所能提供的最大驅(qū)動(dòng)力為，其中為電機(jī)的最大輸出扭矩，為電機(jī)減速器的減速比，為驅(qū)動(dòng)輪的半徑，為傳動(dòng)系統(tǒng)的效率系數(shù)。 4.2.3運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型 在坡度為的斜坡上正常前進(jìn)的機(jī)器人，其重心的動(dòng)力學(xué)方程為 (4. 6) 其中為所有外力在機(jī)器人縱軸上的投影。

41、 (4. 7) 根據(jù)對(duì)牽引力、地面阻力和附著力的分析，可以把機(jī)器人的直線行駛分為三種情況： 若，則機(jī)器人加速前進(jìn)或者等速前進(jìn)； 若，則機(jī)器人減速甚至停止前進(jìn)； 若，則履帶打滑。 4.3 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)分析 履帶車輛和輪式車輛具有不同的行動(dòng)裝置，導(dǎo)致了車輛運(yùn)動(dòng)特性的差異，最主要的體現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎特性上。輪式車輛轉(zhuǎn)向只需前輪轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，前輪仍然為滾動(dòng)而無(wú)橫向運(yùn)動(dòng)，不會(huì)引起橫向阻力的增加。而履帶車輛的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)則通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使兩側(cè)履帶產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差而形成。履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，履帶接地段要橫向刮動(dòng)地面，地面將對(duì)車輛產(chǎn)生較大的橫向阻力。 輪式車輛的轉(zhuǎn)向軌跡在一

42、般情況下，只取決于方向盤的旋轉(zhuǎn)角度，其轉(zhuǎn)向軌跡的可控性較好。履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向軌跡不完全取決于操縱輸入，與地面性質(zhì)、車輛的行駛狀態(tài)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的類型有關(guān)，故履帶車輛轉(zhuǎn)向軌跡的可控性較差。輪式車輛方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)幾百度，可以對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行精確的修正，而履帶車輛轉(zhuǎn)向操縱具有很高的靈敏度，在高速轉(zhuǎn)向行駛過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)向半徑進(jìn)行較準(zhǔn)確的修正比較困難。履帶車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中履帶接地段相對(duì)于地面在車輛的縱向和橫向同時(shí)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)使地面和履帶之間既有縱向作用力(推動(dòng)力、制動(dòng)力)，又存在橫向阻力(轉(zhuǎn)向阻力)，在以上各作用力的共同作用一下，車輛產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。 4.3.1轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

43、履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，車體作平面運(yùn)動(dòng)，履帶作復(fù)合運(yùn)動(dòng)。車體的平面運(yùn)動(dòng)可以分解為隨車體重心CG的平移運(yùn)動(dòng)以及繞重心CG的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，采用縱向速度。側(cè)向速度、角速度可以完全描述車體的運(yùn)動(dòng)。在任意時(shí)刻，車體的平面運(yùn)動(dòng)可以視為繞某一點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，該點(diǎn)即為車輛的轉(zhuǎn)向中心0。當(dāng)車輛作勻速轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，0點(diǎn)保持不變。轉(zhuǎn)向中心0與車輛重心CG的距離為車輛的轉(zhuǎn)向半徑R，履帶的復(fù)合運(yùn)動(dòng)由兩種運(yùn)動(dòng)組成，一種是牽連運(yùn)動(dòng)，即履帶隨同車輛的平面運(yùn)動(dòng);一種是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即履帶相對(duì)于車體的卷繞運(yùn)動(dòng)。履帶接地段與地面之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系決定了轉(zhuǎn)向過(guò)程中地面和履帶之間的作用力(水平面內(nèi))，故對(duì)于履帶的運(yùn)動(dòng)，我們主要研究履帶接地段的運(yùn)動(dòng)。 圖

44、4.2 轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 履帶車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中履帶接地段的運(yùn)動(dòng)如圖4. 2所示。圖中0點(diǎn)為履帶車輛的轉(zhuǎn)向中心，過(guò)0點(diǎn)作車輛縱向?qū)ΨQ線的垂線，以該垂線為車輛坐標(biāo)系的y軸，車輛的縱向?qū)ΨQ線為x軸。履帶接地段的運(yùn)動(dòng)是車體運(yùn)動(dòng)(牽連運(yùn)動(dòng))和履帶卷繞運(yùn)動(dòng)(相對(duì)運(yùn)動(dòng))的復(fù)合。車體的運(yùn)動(dòng)為繞轉(zhuǎn)向中心0的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，角速度為，則履帶接地段的任意一點(diǎn)M的牽連速度為： (4. 8) 轉(zhuǎn)向時(shí)，外側(cè)履帶接地段的縱向?qū)ΨQ線為X2，X2線上任一點(diǎn)M的牽連速度可分解為x軸、y軸兩個(gè)分量，其X軸分量為，y軸分量為。其中y為點(diǎn)M的y坐標(biāo)的絕對(duì)值，x、y軸速度分量如圖

45、4. 2所示。外側(cè)履帶接地段的相對(duì)速度為 (履帶的卷繞速度，與車輛的運(yùn)動(dòng)力一向相反)。所以，外側(cè)履帶接地段縱向?qū)ΨQ線X2上任一點(diǎn)M的絕對(duì)速度為：。 點(diǎn)M速度的x軸分量為，y軸分量為。 在一般情況下，轉(zhuǎn)向時(shí)外側(cè)履帶主導(dǎo)作用力總是為牽引力，故外側(cè)履帶接地段總是滑轉(zhuǎn)，，縱向?qū)ΨQ線X2上的任意一點(diǎn)M的縱向運(yùn)動(dòng)均相同，總是與車輛的運(yùn)動(dòng)方向相反，而其側(cè)向運(yùn)動(dòng)的方向則在y軸兩側(cè)發(fā)生改變。過(guò)縱向?qū)ΨQ線X2上的任意一點(diǎn)M作垂線AB，AB線上各點(diǎn)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)和M點(diǎn)一致，其縱向運(yùn)動(dòng)仍為滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與車輛的運(yùn)動(dòng)方向相反，只是各點(diǎn)的縱向滑動(dòng)速度(即該點(diǎn)速度的x軸分量)的絕對(duì)值隨著各點(diǎn)和轉(zhuǎn)向中心的距離增大而減小。故一般研

46、究履帶接地段的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以忽略履帶的寬度，以履帶接同理，轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)側(cè)接地段中心線X1線上任一點(diǎn)N的絕對(duì)速度為：，其中為牽連速度，其x軸分量為，Y軸分量，內(nèi)側(cè)履帶接地段的相對(duì)速度為 (履帶的卷繞速度，與車輛的運(yùn)動(dòng)方向相反)。 轉(zhuǎn)向時(shí)，內(nèi)側(cè)履帶一般主導(dǎo)作用力為制動(dòng)力，故內(nèi)側(cè)履帶接地段總是滑移，，縱向?qū)ΨQ線X1上的任意一點(diǎn)N的縱向運(yùn)動(dòng)總是與車輛的運(yùn)動(dòng)方向相同，而其側(cè)向運(yùn)動(dòng)的方向則在Y軸兩側(cè)發(fā)生改變。 履帶接地段在任意時(shí)刻t的運(yùn)動(dòng)均為平面運(yùn)動(dòng)，故存在一瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，t時(shí)刻履帶接地段的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為繞瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于外側(cè)履帶接地段絕對(duì)速度的縱向分量一般與車體的運(yùn)動(dòng)方向相反，所以外側(cè)履帶接地段的

47、瞬心02總是在外側(cè)履帶接地段以外，即在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)向中心0的方向上，由02到外側(cè)履帶接地段縱向中心線X2的趾離為瞬心橫向偏移量y2，y2隨著履帶滑轉(zhuǎn)的增加而增加。同樣，內(nèi)側(cè)履帶接地段繞瞬心01作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于內(nèi)側(cè)履帶接地段的絕對(duì)速度的縱向分量一般與車體的運(yùn)動(dòng)方向相同，所以內(nèi)側(cè)履帶接地段的瞬心01總是在內(nèi)側(cè)履帶接地段以內(nèi)即在靠近轉(zhuǎn)向中心0的方向上，其橫向偏移量為y1 ，y1隨著履帶滑移的增加而增加。轉(zhuǎn)向中心0、瞬心02、瞬心01位于同一條直線上，構(gòu)成了車輛的轉(zhuǎn)向中心線。 履帶車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，外側(cè)履帶的滑轉(zhuǎn)、內(nèi)側(cè)履帶的滑移(或滑轉(zhuǎn))是履帶車輛轉(zhuǎn)向的基本特征，通常采用滑轉(zhuǎn)系數(shù)， 來(lái)表示：

48、 (4. 9) (4. 10) 履帶的滑移、滑轉(zhuǎn)決定了地面和履帶之間縱向作用力，同時(shí)對(duì)描述履帶車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)向角速度、轉(zhuǎn)向半徑等物理量的計(jì)算具有不可忽略的影響。 如果忽略履帶的滑移滑轉(zhuǎn)，即=0，=0，則轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)稱為理論轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。 理論轉(zhuǎn)向半徑為： (4. 11) 理論轉(zhuǎn)向角速度為： (4. 12) 履帶車輛實(shí)際轉(zhuǎn)向過(guò)程中，履帶存在滑移、滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即，，則 實(shí)

49、際轉(zhuǎn)向半徑為： (4. 13) 實(shí)際轉(zhuǎn)向角速度為： (4. 14) 轉(zhuǎn)向半徑系數(shù)為： (4. 15) 轉(zhuǎn)向角速度系數(shù)為： (4. 16) 對(duì)履帶車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向計(jì)算時(shí)，不可忽略滑轉(zhuǎn)、滑移現(xiàn)象的存在。由于滑轉(zhuǎn)、滑移系數(shù)比較難測(cè)得，而履帶的環(huán)繞速度卻可很容易得到。測(cè)出兩側(cè)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，根據(jù)式(4. 11)求出，用轉(zhuǎn)向系數(shù)弄對(duì)進(jìn)行修正就可得到實(shí)際轉(zhuǎn)向半徑。轉(zhuǎn)向系數(shù)與地面類型、轉(zhuǎn)向時(shí)的車速、轉(zhuǎn)向半徑等因素有關(guān)。轉(zhuǎn)向系數(shù)受路面情況的

50、影響較大，車速、轉(zhuǎn)向半徑的影響較小，履帶車輛在某種路面以不同的速度、不同的轉(zhuǎn)向半徑轉(zhuǎn)向時(shí)，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)向系數(shù)為某一定值。 4.3.2轉(zhuǎn)向阻力分析 履帶車輛轉(zhuǎn)向過(guò)程中，履帶接地段相對(duì)于地面存在側(cè)向運(yùn)動(dòng)，地面產(chǎn)生阻止履帶側(cè)向運(yùn)動(dòng)的側(cè)向反力，該側(cè)向反力為履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力。在松軟地面上轉(zhuǎn)向阻力由滑動(dòng)摩擦阻力、剪切阻力、刮土阻力組成。 滑動(dòng)摩擦阻力：由以下各力組成：履帶接地面的凸起部分(履齒)與地面之間的滑動(dòng)摩擦力；粘于履帶接地面凹坑的土壤與地面之間的滑動(dòng)摩擦力；履帶端面和負(fù)重輪端面與土壤之間的滑動(dòng)摩擦力。這些阻力的大小與接地段的法向負(fù)荷、履帶與地面的摩擦系數(shù)有關(guān)，而與轉(zhuǎn)向半徑無(wú)關(guān)。 剪切

51、阻力：履帶車輛在松軟地面上轉(zhuǎn)向時(shí)，履帶上的履齒陷進(jìn)土壤中。當(dāng)接地段發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，履帶板的履齒端面便在履帶軌跡切線方向上壓縮土壤，土壤內(nèi)部土粒間產(chǎn)生一定的位移，當(dāng)土壤被壓縮到極限狀態(tài)以后，土壤被履齒端面剪切。土壤內(nèi)部土粒間的內(nèi)摩擦力和內(nèi)聚力反抗履帶對(duì)它的破壞，因而產(chǎn)生了剪切阻力，該阻力的大小與地面性質(zhì)、法向負(fù)荷、履帶板結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向半徑等因素有關(guān)。 刮土阻力：履帶車輛在松軟地面上轉(zhuǎn)向時(shí)，不斷有被履齒、筋和履帶板擠碎和剪切下來(lái)的土壤，堆積在接地段和負(fù)重輪的側(cè)面。履帶車輛要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，履帶就要推動(dòng)著這些土壤一起旋轉(zhuǎn)，因而形成了刮土阻力。刮土阻力的分布和摩擦力不同，而且兩側(cè)刮土阻力也不相同。刮土阻力的大小

52、與地面性質(zhì)、法向負(fù)荷、履帶板結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)角度以及轉(zhuǎn)向半徑等因素有關(guān)。 由于地面性質(zhì)、法向負(fù)荷以及轉(zhuǎn)向半徑等因素的不同，上述三種橫向阻力有時(shí)全部存在，有時(shí)部分存在，故轉(zhuǎn)向時(shí)地面與履帶接地段之間的側(cè)向作用力的關(guān)系非常復(fù)雜，很難用解析式準(zhǔn)確地計(jì)算轉(zhuǎn)向阻力的大小，一般采用轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向阻力進(jìn)行計(jì)算，為轉(zhuǎn)向阻力與車輛重量的比值，。的數(shù)值一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得。在轉(zhuǎn)向阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)的數(shù)值并不是固定不變的，轉(zhuǎn)向半徑越小，所需的轉(zhuǎn)向功率越大，需要克服更大的轉(zhuǎn)向阻力功率，即轉(zhuǎn)向阻力越大，轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)越大。尼基金根據(jù)轉(zhuǎn)向阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確立了計(jì)算平均轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)值的經(jīng)驗(yàn)公式：

53、 (4. 17) 其中，是車輛作制動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)的最大轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，該值由實(shí)驗(yàn)求得，B為履帶中心距，R為轉(zhuǎn)向半徑，系數(shù)0.80～0.87，當(dāng)取0.8時(shí)，上式簡(jiǎn)化為： (4. 18) 低速轉(zhuǎn)向阻力分析： 假設(shè)履帶車輛在水平路面轉(zhuǎn)向，地面法向負(fù)荷沿履帶接地段均勻分布，車輛重心和幾何中心在水平投影面內(nèi)重合，轉(zhuǎn)向阻力的分布如圖4. 3所示。因?yàn)榈孛娣ㄏ蜇?fù)荷均勻分布，根據(jù)轉(zhuǎn)向阻力的定義可知轉(zhuǎn)向內(nèi)外側(cè)履帶的轉(zhuǎn)向阻力分布完全相同，履帶接地段的側(cè)向運(yùn)動(dòng)在轉(zhuǎn)向中心線兩側(cè)改變方向，轉(zhuǎn)向阻力也相應(yīng)改變方向，和側(cè)向運(yùn)動(dòng)方向相反。 圖4.

54、 3低速轉(zhuǎn)彎阻力分析 作用于接地段單位長(zhǎng)度上的法向負(fù)荷為： BC段的轉(zhuǎn)向阻力為： 當(dāng)履帶車輛在水平路面上低速勻速轉(zhuǎn)向時(shí)，離心力很小，可以忽略不計(jì)，車輛受的側(cè)向力只有轉(zhuǎn)向阻力，，即，所以，即低速勻速轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向中心線過(guò)車輛的幾何中心，與車輛的橫向?qū)ΨQ線重合。 高速轉(zhuǎn)向阻力分析：履帶車輛在低速轉(zhuǎn)向過(guò)程中，車輛的離心力很小，對(duì)轉(zhuǎn)向的影響可以忽略不計(jì)。此時(shí)，履帶車輛受到的地面橫向阻力(轉(zhuǎn)向阻力)的合力為0，車輛的轉(zhuǎn)向中心線與車輛橫向?qū)ΨQ線重合。但在高速轉(zhuǎn)向過(guò)程中，離心力的作用則不可忽略，離心力作用在車輛的重心上，其方向?yàn)檫h(yuǎn)離轉(zhuǎn)向中心指向轉(zhuǎn)向外側(cè)。在該離心力的作用下，車輛將產(chǎn)生側(cè)滑的趨勢(shì)。此時(shí)，

55、車輛的轉(zhuǎn)向中心線必將向車輛前部偏移，轉(zhuǎn)向阻力的合力將大于0，和離心力保持平衡(勻速轉(zhuǎn)向的情況下)，轉(zhuǎn)向中心線與車輛橫向?qū)ΨQ線的距離為轉(zhuǎn)向中心偏移量e(如圖4. 4所示)。 圖4.4高速轉(zhuǎn)彎阻力分析 車輛轉(zhuǎn)向時(shí)的離心力J分解為橫向分力和縱向分力，和將對(duì)履帶接地段的法向負(fù)荷產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)向阻力的分布。由圖4. 4可知，一般轉(zhuǎn)向情況下，e遠(yuǎn)小于R，比小得多，可以近似假設(shè)縱向分力不影響接地段法向負(fù)荷及轉(zhuǎn)向阻力的分布，。在橫向分力的作用下，H為重心高度，轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)外側(cè)履帶單位長(zhǎng)度的法向負(fù)荷為： 內(nèi)側(cè)： 外側(cè)： 履帶接地段的轉(zhuǎn)向阻力為： ， ， (4

56、. 19) 所以，轉(zhuǎn)向中心偏移量為： (4. 20) 此時(shí)，轉(zhuǎn)向阻力矩為： (4. 21) 因此，轉(zhuǎn)向中心偏移量與轉(zhuǎn)向時(shí)車速、轉(zhuǎn)向半徑密切相關(guān)，車速越大，轉(zhuǎn)向半徑R越小，離心力越大，偏移量越大，轉(zhuǎn)向阻力矩越小，車輛越易轉(zhuǎn)向。當(dāng)偏移量時(shí)，轉(zhuǎn)向中心已移至履帶接地段的端點(diǎn)，此時(shí)車輛處于發(fā)生側(cè)滑的臨界狀態(tài)，此時(shí)的車速為臨界車速，當(dāng)轉(zhuǎn)向車速時(shí)，車輛將發(fā)生側(cè)滑。 4.3.3 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力分析 履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)履帶接地段存在側(cè)向運(yùn)動(dòng)，地面產(chǎn)生轉(zhuǎn)向阻力阻止履帶接地段的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向阻力對(duì)車輛中心的

57、力矩構(gòu)成阻止車輛轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)向阻力矩。轉(zhuǎn)向過(guò)程中履帶接地段存在滑移、滑轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，地面對(duì)履帶產(chǎn)生縱向作用力，與車輛前進(jìn)方一向相同的縱向作用力表現(xiàn)為地面推力，兩側(cè)履帶的地面縱向作用力對(duì)車輛巾心的力矩構(gòu)成了車輛轉(zhuǎn)向的主動(dòng)力矩。 兩側(cè)履帶的縱向力的分析與直線運(yùn)動(dòng)的縱向力分析一致。 5 機(jī)器人在典型地形的運(yùn)動(dòng)分析 5.1 引言 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的真實(shí)環(huán)境由許多不同的地形和地貌組成，但是所有的地形地貌都可以用典型的地形來(lái)構(gòu)成?？偨Y(jié)出來(lái)主要分三種：斜坡、臺(tái)階和壕溝。本文著重分析了機(jī)器人在保證安全性的基礎(chǔ)上對(duì)于上述三種典型地形的通過(guò)性。由于機(jī)器人采用的“履帶——關(guān)節(jié)”結(jié)構(gòu)，使得機(jī)器人對(duì)于上述典型地形的適應(yīng)

58、性有很大的提高。機(jī)器人在臺(tái)階上運(yùn)動(dòng)時(shí)不像斜坡和壕溝那樣的平滑，如果完全采用人工操作，很可能由于操作不當(dāng)導(dǎo)致機(jī)器人與臺(tái)階的硬碰撞，造成機(jī)器人的損傷。 5.1.1斜坡行駛 機(jī)器人在斜坡上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力情況如圖4.1所示，機(jī)器人勻速行駛或靜止時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力為 ， (5.1) 最大靜摩擦系數(shù)為，則最大靜摩擦力為： (5.2) 當(dāng)F<_Fmax時(shí)，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。 當(dāng)F>Fmax時(shí)，機(jī)器人將在重力的影響下滑落。 圖5.1

59、斜坡受力分析 在不同介質(zhì)上運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，如果知道該介質(zhì)最大靜摩擦系數(shù)，則機(jī)器人能夠前進(jìn)的最大坡度為： 爬坡時(shí)最大加速度為： (5.3) 通過(guò)上述分析，我們可以根據(jù)機(jī)器人履帶和運(yùn)動(dòng)地面的狀況來(lái)確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機(jī)的特性，確定其運(yùn)動(dòng)過(guò)程最大加速度及爬升陡坡的快速性。 5.1.2重心分布 在機(jī)器人跨越壕溝和登上臺(tái)階的過(guò)程中，只要重心能夠越過(guò)就可以保證機(jī)器人的通過(guò)性。在分析機(jī)器人重心運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，可把機(jī)器人看為車體和搖臂兩部分，搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致重心不斷發(fā)生變化。 圖5.2重心分布圖 由于車體的對(duì)稱性，機(jī)器人的重

60、心在機(jī)器人中截面上，所以我們只考慮機(jī)器人重心在二維平面的分布狀況。如圖5.2所示，車體的重心在()處，搖臂距前軸的距離為P，車體的質(zhì)量為m1搖臂的質(zhì)量為m2。以前軸為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。機(jī)器人的重心坐標(biāo)為： (5.4) 機(jī)器人重心運(yùn)動(dòng)軌跡為以為圓心，半徑為的一個(gè)圓。 (5.5) 5.1.3跨越壕溝 （a） (b) 圖5.3跨越壕溝 如圖5.3所示，機(jī)器人的重心可在以r為半徑的圓上運(yùn)動(dòng)。由于搖臂展開(kāi)

61、的寬度較大，為了計(jì)算最大跨越壕溝寬度，一直為展開(kāi)狀態(tài)(如上部分圖所示)。機(jī)器人最后越過(guò)壕溝時(shí)，重心放在最前端G。 機(jī)器人的跨越寬度為L(zhǎng)： (5.6) 在角度為的斜坡上，可以跨越的寬度為L(zhǎng)： (5.7) 5.2 機(jī)器人上下臺(tái)階動(dòng)作規(guī)劃研究 機(jī)器人在上下障礙物時(shí)，如果因?yàn)椴僮鞑划?dāng)造成硬碰撞，則可能對(duì)機(jī)器人造成毀滅性的傷害并且會(huì)損失動(dòng)力能源。同時(shí)機(jī)器人跨越障礙物時(shí)會(huì)受機(jī)器人自身尺寸、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)的限制而無(wú)法逾越，因此機(jī)器人在選擇前進(jìn)路

62、徑時(shí)需要避開(kāi)這些障礙物。本節(jié)的主要內(nèi)容就是解決上述兩個(gè)問(wèn)題，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)用機(jī)器人進(jìn)行分析。機(jī)器人上下障礙物的前提是機(jī)器人在前進(jìn)的過(guò)程中一直保持平衡狀態(tài)，即前進(jìn)方向與障礙物方向垂直，并且機(jī)器人前進(jìn)的過(guò)程中后輪無(wú)打滑現(xiàn)象。在動(dòng)作規(guī)劃前可以根據(jù)機(jī)器人的特性，設(shè)定其運(yùn)動(dòng)速度v和搖臂的角速度。 5.2.1機(jī)器人上障礙物過(guò)程動(dòng)作規(guī)劃 機(jī)器人上障礙物的過(guò)程分以下五個(gè)步驟： 1、準(zhǔn)備上障礙物： 圖5.4準(zhǔn)備階段 如圖5. 4所示，建立坐標(biāo)系，原點(diǎn)為障礙物的頂點(diǎn)，X軸為水平線，Y軸為水平線的法線方向。通過(guò)幾何關(guān)系有： (5.8) 其中，為搖臂中

63、心線與搖臂側(cè)面履帶相垂直半徑的夾角。該過(guò)程機(jī)器人以速度從遠(yuǎn)處前進(jìn)，并將搖臂以角速度打至，根據(jù)上式可以計(jì)算出此時(shí)的機(jī)器人位置X1。假設(shè)機(jī)器人初始位置為X0，搖臂的位置為，則打開(kāi)搖臂的時(shí)間為： (5.9) 所以機(jī)器人可以在處開(kāi)始打開(kāi)搖臂，此前只是以v前進(jìn)，搖臂沒(méi)有動(dòng)作。 2、機(jī)器人上臺(tái)階過(guò)程 圖5.5上臺(tái)階起始過(guò)程 如圖5. 5所示，機(jī)器人在搖臂搭上障礙物運(yùn)動(dòng)時(shí)有以下幾何關(guān)系： (5.10) 綜合式(5.10)可得： (5.11) 機(jī)器

64、人在爬升的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)的速度可以適當(dāng)減速為、。 該過(guò)程的截止?fàn)顟B(tài)又分為以下兩種： （a） (b) 圖5.6爬升的截至狀態(tài) a) 搖臂首先與臺(tái)階平齊，但是主履帶還未到達(dá)臺(tái)階邊沿。此時(shí) (5.12) b)主履帶到達(dá)臺(tái)階邊沿，但搖臂未與臺(tái)階接觸。此時(shí) (5.13) 3、機(jī)器人到達(dá)以下臨界狀態(tài) 注: lg為重心距離后輪中心的位置。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)圖示位置即可放下?lián)u臂，機(jī)器人在

65、重力的作用下爬上臺(tái)階。 圖5.7臨界狀態(tài) 機(jī)器人到達(dá)臨界狀態(tài)，如圖5. 7所示，由幾何關(guān)系可得： 其中(5.15)式可化簡(jiǎn)為下式： (5.16) 可以看出與的關(guān)系與x無(wú)關(guān)。在此狀態(tài)下機(jī)器人的重心將可以跨過(guò)障礙物，可以計(jì)算出機(jī)器人的位置x2 , 所以有 (5.17) 在此過(guò)程中可以適當(dāng)降低速度。由于機(jī)器人重心最高點(diǎn)剛好跨過(guò)障礙，故電機(jī)做的功最小，減少能量損失。 對(duì)于臨界狀態(tài)，(5.14

66、)式可化為下式： (5.18) (5.19) 利用(5. 19)式求得后代入(5. 18)式算出的即為機(jī)器人可以跨越的最高障礙物hmax。 4、機(jī)器人到達(dá)上述最終狀態(tài)后進(jìn)行爬臺(tái)階的過(guò)程 圖5.8爬升上臺(tái)階過(guò)程 圖5.9完成跨越障礙 由圖5. 8的幾何關(guān)系可得： (5.20) 此時(shí)搖臂反方向運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人本體原方向運(yùn)動(dòng)，將重心前移。當(dāng)?shù)臅r(shí)候，即，該過(guò)程結(jié)束，可求得該時(shí)刻的θ和x值，同理根據(jù)角速度就可求得該過(guò)程的時(shí)間： (5.21) 5、機(jī)器人上完臺(tái)階后恢復(fù)原來(lái)狀態(tài) 如圖5. 9所示，機(jī)器人恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)后即可加速前進(jìn)?；謴?fù)的時(shí)間為 (5.22) 綜上所述，機(jī)器人若以V1的速度上臺(tái)階，則搖臂的運(yùn)動(dòng)角速度應(yīng)滿足以下條件