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垃圾 拾捡 机器人

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文章编号: 100628244(2003)03227205转臂式八轮移动月球机器人设计与分析Design and Analysis on the Rotational ArmEightW heelsM obile Lunar Robot王文超曹志奎马培荪许剑波上海交通大学机械及动力工程学院W ang W en ChaoCao Zhi K uiM a Pei S unX u J ian B oSJ TU S chool of M echanical Eng ineering摘要本文针对复杂月球的表面提出了一种新型转臂式八轮移动月球机器人设计方案, (简称:RA EWMLR),独特的机构设计提高了它跨壕沟,爬台阶和转向能力。本文还对这种月球机器人进行了转向性能分析,稳定性分析,运动重构分析。Abstract In this paper, a new robot named the Rotational A rm Eight W heels M obile Lunar Robot hasbeen developed for rough terrain in the Lunar.Its abilities to stride moat, climb step and turn were en2hanced w ith its specialmechanical design。A nalysis on turning performance, stability and kinematic recon2figurability was presented in this paper.关键词:月球机器人运动重构稳定性Key words: Lunar RobotKinematic ReconfigurabilityStability中图分类号: TH113. 2文献标识码:B1引言由于航天技术的飞跃发展,使得人们对地球以外的行星研究的成为可能。而设计一种能在行星表面行驶的机器人对于行星的研究探测具有十分重要的意义。从阿波罗登月使用的人为操纵的月球车到美国最新研制的人为和自主协同控制的火星探测车“索杰纳”,科学家已经研究出各种移动机器人,如比利时的关节履带式机器人ACEC,美国的腿式机器人Ambel,美国的单轮移动机器人Gyrover,日本的步行轮式移动机器人Chariot ii。而轮式移动机器人以其可靠和控制方便而成为行屋探测机器人首要的选择方案。纵观国内外行星探测机器人的设计和研究,传统的轮式移动机器人存在如下几个方面的局限: (1)不能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶; (2)机器人陷于土壤中时,不能自动脱离软土壤区,恢复正常的行驶能力; (3)克服倾覆对机器人行驶能力的不良影响。(4)转向能力差,转弯半径大。(5)机构平稳性能差,不能根据月球地表地形变化而自动调整车身的重心,使得车身的重心起伏移动,从而使得机器人的动态平稳性差。至今,未见文献和报道能同时克服以上缺陷的行星移动机器人机构,因此研究出一种新型的,综合性能更好的月球探测车将对月球探测以至其他行星的探测具有十分重大的意义。本文所介绍的月球机器人就是针对传统月球机器人的这些缺点而设计的。图1RA EWMLR外观图Fig. 1RA EWMLR outline draw ing2转臂式八轮移动月球机器人的结构转臂式八轮移动月球机器人的立体结构如图1所示。它的驱动是由4组独立的行走机构构成的非72第17卷第3期2003年9月传动技术DR I V E SYSTEM TECHN I QU EVol . 17No. 3September 2003 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.整体覆带式行走装置。月球机器人RA EWMLR的行走装置设计为履带式行走机构主要是为了机器人适应月球表面松软的土壤环境,防止车身下陷;并增大与地面的接触面积,从而提高驱动力;防止机器人在月球表面复杂环境下由于车身倾仰使驱动轮悬空而失去牵引力。图2RA EWMLR一个覆带驱动单元原理图Fig. 2RA EWMLR one unit of caterpillar drive scheme一个单独的覆带行走机构原理图如图2所示,主要包括:转臂电机(1),滑块机构(2),齿轮传动机构(包括:输入齿轮(3),输出齿轮(8),转动臂(4),被动尔轮(5),主动车轮驱动电机(6),主动轮(7),弹性缓冲机构(包括:导向杆(9)缓冲弹簧(10)电机固定架(12),车厢底板(11),覆带(13)。RA EWMLR的履带驱动由直流电动机(6)驱动主动轮(7),经过履带传动到被动轮(5)来完成。 每个履带单元的主动轮驱动电动机彼此独立,所以当其中一组履带(1), (3)或(2), (4); (1), (4); (2), (3)的电动机失去驱动能力(参考图1), RA EWMLR依然具有行驶能力。一个独立的转臂转动驱动由直流电动机(1)驱动齿轮(3),经过齿轮(8)带动转动臂(4)转动来完成。转动臂可360 转动。整个转动臂装置由电机固定架(12)和滑块(2)固定。 滑块机构使整个转动臂机构相对于车厢有一个移动自由度,即相对于车厢有一个竖直方向的运动。地面与车轮的冲击传递到转动臂上,通过缓冲弹簧,以减少了对车厢内仪器设备的冲击,实现缓冲。同时我们针对月球独特的地表环境设计了独特的车轮机构如图3,图4所示。车轮结构分为主动车轮和被动车轮两种形式。主动车轮机构为内包容式,如图3所示,车轮驱动电机(9)和变速器(8)一起安装在车轮内的内车轮架(7)上。 电动机的输出经过变速器和铰接机构驱动外车轮。同时内外车轮架以转动副相连接。这种内包容式车轮机构可以提高车轮驱动系统的的可靠性,内外车轮的这种连接方式又提高了车轮的稳定性。被动车轮的结构和主动车轮相类似,但没有驱动系统。如图4所示。3全方位运动八轮转臂移动月球机器人运动特征3. 1RAEWMLR跨越壕沟能力分析RA EWMLR最大可跨越的壕沟的宽度等于转动臂长度。遇到宽度小于转动臂的长度的壕沟时,RA EWMLR在控制系统的作用下由电动机锁定前后转动臂(1) (2) (3) (4),然后继续前进就可以跨越壕沟。这样可克服了壕沟宽度不能大于轮半径的限制。动作过程如图5所示:3. 2RAEWMLR越台阶能力能力分析RA EWMLR可越过台阶的高度由转动臂长度决定。在驱动力允许的情况下可跨越的高度远远超过R(轮径)决定的高度。从而大大的提高了月球机器人的地理环境的适应能力。 动作过程如图6所示:3. 3RAEWMLR脱离软土壤区能力分析当RA EWMLR陷 于 软 土 壤 区 时 候,RA EWMLR可以驱动四组转臂作同步圆周转动,此时不再在地表面做连续的滚动了,转而代之的是图3主动车轮结构示意图Fig. 3D riving wheel structure scheme图4被动车轮结构示意图Fig. 4D riven wheel structure scheme(1)外车轮架outer wheel frame(2)外车轮架端盖outer wheel frame end cover(3)端盖锁定螺丝end cover lock bolt(4)轴向锁定销axiallocking pin(5)变速器输出轴transm ission output axle(6)摩擦片friction disc(7)内车轮架inner wheel frame(8)变速器transm ission(9)直流电机DC motor(10)联接杆coupling link(11)转动臂cursor82王文超等:转臂式八轮移动月球机器人设计与分析 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图5月球车跨越壕沟过程示意图Fig. 5L unar vehicle stride moat process scheme图6月球车爬越台阶过程示意图Fig. 6L unar vehicle cli mb step process scheme如步行机器人类似的爬动。当他爬出软土壤区后又可以恢复到最初的滚动行驶。从而恢复行驶能力。图7月球车脱离软土壤过程示意图Fig. 7L unar vehicle disengage soft soil pro2cess scheme动作过程如图7所示:3. 4RAEWMLR抗侧倾能力分析RA EWMLR抗侧倾的具体动作过程说明如下:当装在月球车内的姿态仪传感器测得车身侧倾达到一定的数值时候,月球车驱动相应侧的转动臂电动机,使得对应侧的转臂转过一定的角度,而另一侧的转动臂保持不变。例如:当月球车测得右侧的高度低于左侧车身的高度的时候,月球车驱动右侧转臂电动机,使得转动臂(1), (3)转过一定角度,而转动臂(2), (4)保持水平,从而抬起右侧车身,如图8. b所示。直至车身到水平位置,右侧转臂停止转动。车身达到平衡。动作过程如图8所示:图8月球车抗侧翻过程示意图(前视)Fig. 8L unar vehicle anti2rollprocess scheme由以上四点可以看出RA EWMLR机器人克服了传统月球机器人的多种不足,创新设计了一种既具有轮式机器人又具有腿式机器人特点的混合机器人。下面就这种机器人的转弯能力,稳定性,以及机构重构作进一步分析:4转弯能力分析本月球机器人为4履带式,当转动时只需使四条转动臂转动90度,让月球车的转动臂垂直于地面,仅四个主动轮着地,如图9所示,从而将月球车的多履带转向问题简化为四个独立车轮的转向问题。下面我们进行转向能力分析:转向功能的实现是靠调整左右两侧电机的转动速度实现的,不需另设转向系统,这样简化了机构的设计,提高了机构的可靠性。当两边的车轮同时向前或向后以相同的速度转动时候,月球机器人实现直线行驶,如图10所示;若两边的转速不同或一边向前转另一边向后转时,可实现转向如图11所示;若两边电动机向前与向后转速相等时,可实现绕某一点原地360 转动,如图12所示。当转弯时转弯半径为:R=V2L(V2-V1)(1)图9转向时车身姿态Fig. 9The vehicle body posture when turn图10直线前进Fig. 10Straightaway92王文超等:转臂式八轮移动月球机器人设计与分析 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图11转弯Fig. 11Turn a corner图12原地转动Fig. 12Turn in original area5稳定性分析月球移动机器人的稳定性分为静态稳定性和动态稳定性,本文分析它的在斜面上的动态零界打滑稳定性条件,和在斜坡上的静态侧翻零界稳定性条件。5. 1动态打滑零界稳定性条件分析月球车在斜面上运动打滑分析的先决假定条件:1)月球车匀速运动,且速度小,车轮的转动惯量忽略不计2)忽略风的阻力对月球车的影响3)小车横向质量分布均匀,无横向偏心距4)月球车的前进方向为斜坡的梯度方向5)胶带在地面上各点受力均匀经过简化以后的月球车在斜面上的受力模型如图13所示:作用在前后转动臂转动中心上的法向作用力分别为:N1=nGcosa-hGsinaL?2(2)N2=m Gcosa+hGsinaL?2(3)式中a为斜坡坡度角, n为小车重心到后端转动臂中心沿斜面方向的距离,m为小车重心到前端转动臂中心沿斜面方向的距离,L位前后端转动臂中心轴向距离, h为重心到转动臂转动中心沿斜面垂直方向上的距离, G为小车车厢的重量。假定每个履带驱动装置(主动轮,被动轮,履带,转动臂)重量为G1,则地面作用在4个履带上的法向作用力分别为:N1=nGcosa-hGsinaL?2 +G1cosa(4)N2=nGcosa-hGsinaL?2 +G1cosa(5)N3=m Gcosa+hGsinaL?2 +G1cosa(6)N4=m Gcosa+hGsinaL?2 +G1cosa(7)Ni为地面作用在履带上的作用力,由于履带滑转不大时候,在松软土壤条件下切向牵引力与履带滑转率近似成线性关系,又切向牵引力与法向反力的比值与履带滑转率仍然成线性比率关系。所以履带的切向牵引力为:F=N=KN(8)其中 切线牵引力与法向压力的比例因子,为履带与地面的相对滑转率, K为 与 的比例因子。所以月球机器人提供的总的切向牵引力为:F=641KiiNi(9)式中Ki为各 与 的比例因子,i为各履带与地面的相对滑转率当月球车的下滑力F1:F1= (G+ 4G1)sinaF=641KiiNi(10)时,月球车在斜坡面上可以保持不下滑。采用履带传动的月球机器人在斜面上的切向牵引力大大的提高了,从而捉高了月球移动机器人的爬坡能力。5. 2静态抗倾翻稳定性分析在静态条件下,小车以任意角度位于斜坡上的时候,当斜坡的坡度增大时小车的重心线与斜面的交点将沿斜坡梯度线向下移动,当交点越过倾翻轴时,小车会在倾翻力矩作用下失稳。下面是小车在斜面上的受力分析,如图14所示:为简化问题分析将小车履带与地面的面接触简化为点接触,A ,B, C,D点是小车与地面的接触点。G为小车的重心。图13动态条件下的抗滑条件分析Fig. 13A nalysis of anti slip under dynam ic condition小车以任意角度在斜面上,小车在斜面上的侧翻可能的轴线为: AB,BC, CD,DA:可能的倾翻点为:A ,B,C,D。由于小车的长度方向长于宽度方向,小车更易如横向侧翻,所以我们以小车的倾翻轴AB来作侧翻轴分析。A ,B为小车与地面的同侧接03王文超等:转臂式八轮移动月球机器人设计与分析 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图14静态条件下的抗倾斜能力分析Fig. 14A nalysis of anti roll ability under static condition触点。小车前进方向为AB方向。当斜坡坡度角b逐渐增加时,小车重心线与斜面的交点E逐渐沿斜面的梯度线方向下滑,当E点下滑到与AB线相交时,此交点为F,小车处于零界稳定,此时斜面坡度角即为抗侧翻零界稳定角。设BA i= Y,斜坡的坡度角为b。O为重心G在斜面的投影,H为O在AB线上的投影。由几何知识可知,FOH= Y,FGO = b,所以零界稳定角 为:= argtg(OF?GO)= argtg(OH?(cos(Y)3GO)(1)要使小车在斜坡上以任意角度行驶都可以保持不侧翻,则斜面的坡度角a应该为:a=m in()(12)当cos(Y)= 1时, a取得最小值。所以移动小车在斜面上的行驶而不侧翻的最大的斜坡坡度为:a=arg tg(OH?GO)(13)由于我们设计的月球机器人的转动臂在驱动电机的作用下可以抬高一侧的车身,这就可以把交点E沿斜坡梯度线方向往上移动,从而使得移动机器人又回到稳定角内,也就间接的提高了抗侧翻零界稳定角a.。6运动重构分析星球表面地形复杂,地形条件恶劣,在这样的条件下行驶的机器人必然会导致机器人失去牵引力,严重情况下甚至会导致车身的倾覆。从而使得月球车损坏,导致无法完成任务。EWAMLR可以通过自己机构的运动重构来保持机器人的牵引力,同时加强车身的抗倾覆能力。运动重构就是通过控制月球车姿态来调整质心位置。它包括内部重构和外部重构,内部重构对于轮式机器人来说就是车轮锁定防止车轮在地面上的滚动,车轮与地面的接触点保持固定, RA EWMLR机器人的内部重构示意图如图15所刊:其中虚线为重构以后的月球车的位置,实线表示的为月球车的重构以前的位置。图15月球车内部重构过程Fig. 15L unar vehicle inner reconstruction process从图中可以看出通过重构以后,小车的质心位置变化了,移动机器人对地面的适应能力得到提高。对于内部重构来说地面的地形信息不影响重构,从而RA EWMLR月球机器人可以依照月球车内部的运动学特性就可以求得内部运动重构的全局最优解。外部重构是指月球车的车轮根据自己车身的姿态调整各个车轮与地面之间的相对位置,与内部重构相反,要实现外部重构必须知道地面地形信息,如果不知到地面地形信息就无法得到全局最优解。图8抗侧翻示意图即为RA EWMLR月球机器人的外部重构的一个例子。7结论本文提出了一种新型月球车转臂式八轮移动月球机器人,说明了它的优良性能,