救援机器人越障过程设计.pdf

电气技术与自动化 林小武 等 救援机器人越障过程设计 救援机器人越 障过程设计 林小武 钱瑞明 刘巍 陈志华 东南大学 机械工程学院 江苏 南京 2 1 1 1 8 9 摘要 介绍一种救援机器人 针对该机器人提出了基于最大越障高度和越障稳定性的越障 过程 并对此过程中救援机器人的关键姿态进行分析 得出救援机器人的越障决策 关键词 救援机器人 越障高度 稳定性 越障决策 中图分类号 T H1 2 T P 2 4 2 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 0 0 2 0 1 3 9 0 3 Ob s t a c l e Ne g o t i a t i o n De s i g n f o r Re s c u e Ro bo t L I N X i a o w u Q I A N R u i m i n g L I U We i C H E N Z h i h u a D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r in g S o u t h e a s t Un iv e r s it y N a n j i n g 2 1 1 l 8 9 C h i n a Ab s t r a c t F i r s t l y t h e p a p e r b r i e f l y in t r o d u c e s a r e s c u e r o b o t T h e n a c c o r d in g t o t h e ma x i mu m o b s t a c l e c r o s s i n g h e i g h t a n d it s s t a b i li t y t h i s pa p er p r o p o s es t h e o b s t ac le ne g o t ia t ion d e sig n f or t his r ob o t t h e or e t ic a l ly an a l y z e s it s cr u c i a l p o s t u r e in t h is de s ign a nd o b t ain t h e o b s t ac le n eg o t ia t ion d e c i s ion f o r t h i s r o b o t Ke y wo r d s r e s c u e r o b o t o b s t a c le n e g o t ia t io n h e i g h t s t a b i li t y o b s t a c le n e g o t ia t io n d e c i s io n 0 引言 救援机器人用于在危险环境中进行搜索救援工作 如 火灾现场 坍塌的房屋中 鉴于救援环境 中的复杂地形 该类机器人应具有较强的地形适应性 越障性 本设计的 救援机器人曾用于参加全国救援机器人大赛 属于多关节 履带式机器人 它可以通过改变各摆臂姿态以适应地形 越过障碍 对于矮小的障碍 该救援机器人在摆臂的简单 辅助下便可通过障碍 但对于较高的障碍 救援机器人就 需要充分运用摆臂的支撑能力通过障碍 文中涉及的越 障过程是针对救援机器人翻越较高的障碍而设计的 并针 对此越障过程中的关键环节进行了稳定性分析和越障高 度分析 同时得到越障决策 1 救援机器人简介 如图 1 所示 该救援机器人 由3大模块构成 1 主 体模块 2 主履带机构模块主履带机构模块用于实现 机器人的前进 后退及转 向 3 摆臂机 构模 块 每个 摆臂机构模块都 可以独立正反旋转 3 6 0 4个摆臂可 以实现各种组合姿态 使得救援机器人具有较强的地 形适应性 主体模块 位于机 器人 正中 和两边的主履 带机构模块相连形成一个整体 用于安装各种传感器 控制器及电源 同时 救援机器人的 3大模块对称分布 主体模块位 于正中 主履带机构模块左右对称 4个摆臂机构模块全 对称分布 这样 救援机器人的重心在形心附近 有利于 机器人平稳地越障 图 1 救 援机器人模块组成 2 救援机器人越障过程 鉴于救援机器人复杂的工作环境 需要救援机器人能 够发挥最佳的越障能力 并保持越障稳定 针对此要求 介绍一种基于最大越障高度和越障稳定性 的越 障过程 救援机器人的相关参数如图 2所示 O l 分别为前摆臂 后摆臂与主体模块的夹角 0为主体模块的倾角 由于救 援机器人的整体结构对称 且主体机构的质量 占绝对优 势 因此可假设救援机器人的重心是在其形心 0的位置 图 2 救援机器人尺寸参数 作者简介 林小武 1 9 8 5 一 男 江苏南通人 东南大学硕士研究生 主要研究方向为智能机器人 Ma c h i n e B u i l d i n g 8 Au to m a t i o n P r 2 0 1 0 3 9 2 1 3 9 1 4 1 l 3 9 电气技术与自动化 林小武 等 救援机器人越障过程设计 当救援机器人面对较高的障碍时 可以执行以下越障 过程通过障碍 如图 3所示 起初 救援机器人以姿态 a 逐渐接近障碍 当主履带前轮的轮心距离障碍约为 时 其 中距离 可以通过激光测距传感器获得 所有摆 臂同时旋转直到O 卢 9 0 转角 O 和卢可以通过转角位 置传感器和电动机编码器计算获得 即达到姿态 b 然 后 救援机器人以姿态 b 逐渐接近障碍 当主履带接触 到障碍边缘 E点或主履带前轮 的轮心距离障碍约为 R 时 前对摆臂顺时针转动直到 1 8 0 与此 同时后对摆 臂相应转动并始终保持 9 0 0 其中 0角可以由主体 模块中的倾角传感器测得 便获得姿态 d 接下来 保 持 O 1 8 0 且口 9 0 0 救援机器人爬上障碍 当救援机 器人重心 G的投影经过障碍边缘 E时 便得到姿态 e 此时 如果障碍高度在其越障能力范围内 救援机器人便 越过障碍 达到姿态 f 在该越障过程中 由姿态 b 到姿态 e 救援机器人 的后对摆臂始终保持竖直状态 这有利于机器人翻越更 高的障碍 并保证机器人越障的稳定性 具体过程在下一 节中进行分析 d e f 图3 救援机器人越障过程 3 越障性分析 研究救援机器人的越障性能 就是对其最大越障高度 和越障稳定性进行分析 选取救援机器人在该越障过程 中的关键姿态进行研究 得出救援机器人的越障极限高度 和稳定性能 3 1 越 障高度 分析文中提出的越障过程 得到图 3 e 为救援机器 人越障临界姿态 此时救援机器人的重心最高 对该姿态 下救援机器人的分析如图4所示 1 4 0 图4 救援机器人越障临界姿态 由图4的几何关系得到 救援机器人的越障高度为 h r S s i n 0 2一R c o s O 1 同时 在此临界状态下 要使得救援机器人能够越过 障碍 需要满足以下条件 G s i n 0 时 救援机器人则放弃越障 因 此 只要保证救援机器人在其越障极限下 障碍高度为 一或 0 妒 的稳定性 救援机器人便能平稳地通过高度 较小的障碍 当救援机器人 面临的障碍高度 为 h 时 取值最 小 求得 S c o s 诅 一 五 式中 可以通过实验测定 一般情况下 A 时 救援机器人放弃越 障 另辟蹊径 结论 统筹运用文中所提出的越 障过程和 越障决策 可以使得救援机器人更有效地发挥其最大越障 能 力 参考文献 1 J i n g u o L i u Y u e c h a o Wa n g A n a l y s i s o f s t a i r s c l i m b i n g a b i l i t y f o r a t r a c k e d r e c o n fi g u r abl e mo d u l a r r o b o t C P r o c e e d i n g o f t h e 2 0 0 5 I EE E I n t e r n a t i o n a l Wo r k s h o p o n S a f e t y S e c u ri t y a n d Re s c u e R0 b o t ic s 2 0 0 5 3 6 4 1 2 Q u y H u n g V u B y e o n g S ang K i m A u t o n o m o u s s t a i r c li m b i n g al g o r i t h m f o r a s m a l l f o u r b a c k e d r o b o t C I n t e rna t i o n al C o n f e r e n c e o n C o n t r o l Au t o ma t i o n a n d S y s t e ms 2 0 0 8 2 0 0 8 2 3 5 6 2 3 6 0 3 H a e Wo n P a r k S u n g H y u n K i m N o C h e o l P ar k e t a 1 D e s i g n o f t r a c k e d v e h i c l e wi t h p a s s i v e me c h a n i s m f o r u n e v e n t e r r a i n C S I C E I C A S E I n t e rn a t i o n al J o i n t C o nf e r e n c e 2 0 0 6 3 1 3 2 3 1 3 6 4 We i d o n g Wang Z h i j i a n g D u D y n a m i c l o a d e ff e c t o n t r a c k e d r o b o t o b s ta c l e p e r f o r m anc e C P r o c e e d i n g o f I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e o n Me c ha t r o n i c s 2 0 0 7 1 6 5 莫海军 朱文坚 履带式移动机器人越障稳定性分析 J 机 械科学与技术 2 0 0 7 2 6 1 6 5 6 7 7 1 6 信建国 李小凡 王忠 履带腿式非结构环境移动机器人特性 分析 J 机器人 2 0 0 4 2 6 1 3 5 3 9 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 1 0 上接第2 7页 3 Y u j i F u k u d a Y a s u a k i K i s h i mo t o T o mo h i ro Ma s a k i e t a 1 S t r u c t u r e an d d y n a mi c s o f c l u s t e r p l a s mas c r e a t e d b y u l t r a s h o r t i n t e n s el a s e r fi e l d s J P h y sR e v 2 0 0 6 A 7 3 0 3 1 2 0 1 4 D i t m i r e T D o n n e l l y T R u b e n c h i k A M e t a 1 P e r r y i n t e r a c t i o n o f i n t e n s e l as e r p u l s e s w i t h a t o m i c c l u s t e r s J P h y s R e v A 5 3 3 3 7 9 5 B u l g a k o v a l N M S t o i a n A R R o s e n f e l d a g e n e r al c o n t i n u u m印一 p r o a c h t o d e s c ri b e f a s t e l e c t ron i c t r an s p o r t i n p u l s e d l a s e r i r r a di a t e d ma t e ri a l s Th e p rob l e m o f Co u l o mb e x p l o s i o n 6 E l e c t r o n i c t r a n s p o r t a n d c o n s e q u e n c e s fo r m a t e r i al r e m o v a l i n u l t r a f a s t p u l s e d l a s e r abl a t i o n o f m a t e ri al s J A p p l P h y s 2 0 0 5 A 81 3 4 5 3 5 6 7 S t o i a n R R o s e nfe l d A A s h k e n a s i D e t a 1 C a m p b e l l s u rf a c e c h a r g i n g a n d i m p u l s i v e i o n e j e c t i o n d u ri n g u l t r a s h o rt p u l s e d l ase r abl a t i o n J P h y s R e v L e t t 2 0 0 2 8 8 0 9 7 6 0 3 8 R a z v a n S t o i an D a v i d A s h k e n asi A r k a d i R o s e n f e l d e t a 1 C a mp b e l l l a s e r abl a t i o n o f s a p p h i re w i t h u l t r a s h o rt p u l s e s J P roc 2 0 0 0 S PI E 3 8 8 5 1 21 9 C h a n g r u i C h e n g a n d X i a n f a n X u M e c h a n i s m s o f d e c o m p o s i t i o n o f m e t al d u ri n g f e m t o se c o n d l a se r a b l a t i o n J P h y s R e v 2 0 0 5 B 7 2 1 6 5 4 1 5 1 O S t o i an R R o e n f e l d A A s h k e n a s i D e t a 1 C a mp b e l l s u rf a c e c h a r g i n g a n d i m p u l s i v e i o n e j e c t i o n d u ri n g u l t r a s h o rt p u l s e d l a s e r abl a t i o n J P h y s R e v L e t t 2 0 0 2 8 8 0 9 7 6 0 3 1 1 P a w a n K T i w a r i C h i n o o k M o k C h a n g M 0 R yn L a s e r i n d u c e d C o flo mb e x p l o s i o n and s t i mt d a t e d Ra ma n s c a t t e rin g i n c lu s t e r p l a s rr a s J P h y s i c s o f P l a s m a s 2 O O 7 1 4 1 0 3 1 0 1 1 1 0 3 1 0 1 7 1 2 J as a p a r a J N a m p ooth i r i A V V R u d o l p h W F e m t o s e c o n d l a s e r p u l s e i n d u c e d b rea k d o w n i n d i e l e c t ri c thi n fi l m s J P h y s i c al R e v i e w B 2 0 0 1 6 3 4 0 4 5 1 1 7 1 3 V a t s y a S R N i k u m b S K M ode li n g o f l a s e r i n d u c e d a v al a n c h e Ma c h i n e B u i l d i n g Au t o m a t i o n A r t 2 0 1 0 3 9 2 1 3 9 1 4 1 i n d i e l e c t ri c s J J o u rnal o f A p p l i e d P h y s i c s 2 0 0 2 9 1 1 3 4 4 3 51 1 4 A p o s t o l o v a and Y H a h n mode li n g o f l a s e r i n d u c e d b r e a k d o w n i n d i e l e c t n i c s w i t h s u b p i c o s e c o n d p u l s e s J A p p l P h y s 2 0 0 0 8 8 2 1 0 2 4 1 0 3 4 1 5 We b e r S R i c o n d a C and T i k h o n c h u k V T S t r o n g k i n e t i c e ff e c t s i n c a v i t y i n d uc e d 1 0 w l e v e l s a t u r a t i o n o f s t i mu l a t e d B ill l o u i n b a c k s c a t t e r i n g for hi s h i n t e n s i t y l a ser p l a s ma i n t e r a c t i o n J P h y s 2 0 0 5 P l a s m a s 1 2 0 4 3 1 0 1 1 6 F r e d L Hi n t o n s i m u l a t i n g c o u l o mb c o l l i s i o n s i n a m a g n e ti z e d p l a s m a J P h y s 2 0 0 8 P l a s m a s 1 5 042 5 0 1 1 7 M a x T aba k J a m e s H a m m e r M i c h a e l E G li n s k y M a s o n i gni t i o n and h i s h g a i n w i t h u l t r a p o w e rf u l l a s e r s J P h y s 1 9 9 4 P l as ma s 1 1 6 2 6 1 8 E s r y B D S a y 1 e r A M Wa n g P Q e t a 1 B e n i t z h a k abo v e thr e s h o l d c o u l o mb e x p l o s i o n o f mo l e c u l e