履帶移動(dòng)機(jī)器人

智能機(jī)器人概論履帶移動(dòng)機(jī)器人爬梯原理背景介紹隨著現(xiàn)代軍事的發(fā)展和反恐戰(zhàn)爭(zhēng)需要,移動(dòng)機(jī)器人具有可以執(zhí)行偵查、巡邏、反恐和排爆等高危險(xiǎn)性工作的特點(diǎn),其應(yīng)用前景越來(lái)越廣泛。移動(dòng)機(jī)器人在工作中最常見的障礙就是樓梯,所以攀爬樓梯是移動(dòng)機(jī)器人適應(yīng)結(jié)構(gòu)化環(huán)境所必備的功能。分析具有前關(guān)節(jié)臂的履帶式移動(dòng)機(jī)器人的爬梯機(jī)理,以及機(jī)器人上下樓梯的步態(tài)。機(jī)器人爬梯機(jī)理分析機(jī)器人攀爬樓梯的過(guò)程可分為兩個(gè)環(huán)節(jié)第一個(gè)環(huán)節(jié)是如何使機(jī)器人翻越第一個(gè)臺(tái)階面，使機(jī)器人完全由地面支撐變?yōu)橥耆蓸翘菖_(tái)階支撐；第二個(gè)環(huán)節(jié)是在樓梯上的連續(xù)爬行。機(jī)器人爬梯機(jī)理分析第一個(gè)環(huán)節(jié)可由兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)第一步：在機(jī)器人關(guān)節(jié)臂搭到臺(tái)階面以后，向下擺動(dòng)關(guān)節(jié)臂，使機(jī)器人中間主體的前半部分脫離地面，直到關(guān)節(jié)臂的下側(cè)履帶與主體下側(cè)履帶齊平，此時(shí)機(jī)器人將由臺(tái)階與地面共同支撐；第二步：機(jī)器人沿著臺(tái)階面向前行進(jìn)，直到機(jī)器人重心越過(guò)臺(tái)階面，機(jī)器人繞臺(tái)階面瞬間翻轉(zhuǎn)，使機(jī)器人完全由樓梯支撐。兩個(gè)步驟的實(shí)現(xiàn)都需要滿足一定的幾何條件及力學(xué)條件。機(jī)器人爬梯機(jī)理分析攀爬步驟機(jī)器人爬梯機(jī)理分析設(shè)L1為關(guān)節(jié)臂履帶的有效接地長(zhǎng)度；H為臺(tái)階高度，實(shí)現(xiàn)第一步的幾何條件為：L1>H幾何條件為只要關(guān)節(jié)臂履帶的有效接地長(zhǎng)度大于臺(tái)階高度，就可以有一個(gè)合適的角度使關(guān)節(jié)臂搭到臺(tái)階面，從而為把機(jī)器人抬離地面做準(zhǔn)備。脫離地面的幾何條件機(jī)器人爬梯機(jī)理分析把機(jī)器人的力學(xué)模型簡(jiǎn)化為2根質(zhì)桿AB和BC，其中AB為關(guān)節(jié)臂，BC為機(jī)器人中間主體，B點(diǎn)位轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。機(jī)器人中間主體脫離地面的瞬間，可描述為桿AB繞A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)與桿BC繞動(dòng)點(diǎn)B轉(zhuǎn)動(dòng)相結(jié)合的過(guò)程。脫離地面的力學(xué)條件機(jī)器人爬梯機(jī)理分析以機(jī)器人整體為研究對(duì)象，N1

為地面對(duì)機(jī)器人的支撐力;N2

臺(tái)階面對(duì)關(guān)節(jié)臂的支撐力;G1

為機(jī)器人中間主體的重力;G2

為關(guān)節(jié)臂的重力;α1為機(jī)器人中間主體繞B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度;α2為關(guān)節(jié)臂繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度；F1

與M1

為中間主體的慣性力向其質(zhì)心簡(jiǎn)化后的慣性力主矢和主矩;F2

與M2

為關(guān)節(jié)臂的慣性力向其轉(zhuǎn)動(dòng)中心簡(jiǎn)化后的慣性力主矢和主矩;f1

與f2

是地面對(duì)機(jī)器人的摩擦力。脫離地面的力學(xué)條件達(dá)朗貝爾原理定義：作用于一個(gè)物體的外力與動(dòng)力的反作用之和等于零公式：F+（-Ma）+N=0………..(式1)

其中M，a為物體質(zhì)量和加速度，F(xiàn)為物體受到的直接外力，N為物體受到的約束反作用力（也是外力）。在沒有約束時(shí)，相應(yīng)的N=0，式1成為：F-Ma=0……(式2)∑MC(F)=0N2L3+f2L5+M2-F2L3-G2L2-F1L4-G1X+M1=0第一步的實(shí)現(xiàn)與樓梯臺(tái)階的高度、機(jī)器人關(guān)節(jié)臂的長(zhǎng)度和重心位置、機(jī)器人中間主體長(zhǎng)度和重心位置、履帶驅(qū)動(dòng)輪半徑、關(guān)節(jié)臂的驅(qū)動(dòng)力矩以及接觸面性質(zhì)有關(guān)。關(guān)節(jié)臂的驅(qū)動(dòng)力矩越大,接觸面越粗糙,機(jī)器人就越容易實(shí)現(xiàn)第一步。在機(jī)器人質(zhì)量不變的情況下,機(jī)器人中間主體的加長(zhǎng)、機(jī)器人整體重心位置向C點(diǎn)的靠近以及履帶驅(qū)動(dòng)輪半徑變大,都有利于第一步的實(shí)現(xiàn)。在這些因素中,關(guān)節(jié)臂的長(zhǎng)度變化對(duì)第一步的影響最復(fù)雜。在其它因素都不變的情況下,設(shè)關(guān)節(jié)臂的驅(qū)動(dòng)力矩為M,則近似有:

由上式可知，必然會(huì)有一個(gè)合適的關(guān)節(jié)臂長(zhǎng)L1使得N2L3最大，使機(jī)器人更容易實(shí)現(xiàn)第一步，把機(jī)器人抬離地面是成功攀爬樓梯的基礎(chǔ)，而第二步，使機(jī)器人的重心越過(guò)臺(tái)階面才是成功的關(guān)鍵。以機(jī)器人中間主體后輪的軸心O為原點(diǎn)，建立笛卡爾坐標(biāo)系，機(jī)器人的重心在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（X0，Y0）,后輪半徑R，則機(jī)器人重心越過(guò)臺(tái)階面的幾何條件可近似為：翻越的幾何條件機(jī)器人重心的位置與機(jī)器人主體履帶輪的半徑,是影響機(jī)器人能否翻越臺(tái)階的主要因素,減小機(jī)器人主體履帶輪的半徑和降低、前移機(jī)器人重心都有利于機(jī)器人翻越臺(tái)階。機(jī)器人攀爬樓梯的第二個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)主要與機(jī)器人的長(zhǎng)度有關(guān)。設(shè)L6為機(jī)器人中間主體有效接地長(zhǎng)度；T為臺(tái)階樓梯寬度,只有滿足如下條件,機(jī)器人才可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)攀爬。機(jī)器人長(zhǎng)度總結(jié)綜上所述,以上公式即為具有前關(guān)節(jié)臂履帶式移動(dòng)機(jī)器人可連續(xù)攀爬樓梯的必要條件。通過(guò)分析可知,機(jī)器人重心位置、機(jī)器人履帶驅(qū)動(dòng)輪半徑及