悬臂式六轮移动机器人越障性能研究

1、中南大学硕士学位论文悬臂式六轮移动机器人越障性能研究姓名:邹吉炎申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:刘少军20061101 中南大学硕士学位论文第章文献综述众所周知,履带式移动机器人以其强大的地形适应性而倍受青睐,但是转弯时,履带的磨损、履带开模难度大等都成为其应用的瓶颈;轮式移动机器人克服了履带式的这些缺点,在满足一定地形适应性的前提下,可以充分发挥移动机器人移动灵活、控制简单等优点,但是它对地形的适应性远不如履带式机器人,一般来说,轮式移动机器人对地形的适应性大小与轮子的数量成正比,但是随着轮子数量的增加,又带来了机器人体积庞大、重量重等缺点.怎样使轮子的数量越少而同时又有能够满

2、足使用要求的地形适应性,这对及机器人设计具有重要意义tis-16171。1.2.2国内轮式移动机器人研究概况国内在轮式移动机器人的研究起步较晚,大多数研究尚处于某个单项研究阶段,具有代表性的研究工作有:I、上海交通大学机器人研究所研制的防暴机器人(PBJ.01Il”是一个6轮关节轮式移动机器人(图1.1i,该种移动机器人有很强的地形适应能力,在一定条件下能够通过台阶、壕沟、凸台、楼梯等多种障碍。该机器入有4个行走轮和2个爬行轮且6轮均为驱动轮,在平面上行走时,机器人摆起两个摆臂,以普通的4轮方式行驶,越障时,将通过两个摆臂的摆动,带动两个爬行轮,从而实现越障。上海交通大学的乔凤斌,杨汝清等对该

3、种机器人的各种性能作出了详细的分析,如航向跟踪、包容能力的计算、越障性能的研究等踟。.上海交通大学的刘方湖、陈建平等提出了一种5轮月球机器人口”,并从结构上研究了其越障性能、静态稳定性和附着性能。该车前三轮均能独立驱动和转向,后面两轮式从动轮。前轮有个电机驱动其俯仰运动。囤1-1六主动轮关节轮式移动机器人 中南火学硕士学位论文第一章文献综述主摇杆臂的前端,两副转向节通过差速齿轮连接,机器人的主车体装在差速齿轮箱上,这样主车体的俯仰就是两副转向节的平均俯仰,这为科学仪器和传感器提供了一个平稳的平台。格林威治时间1997年7月4日17时07分,美国国家航空航天局(NASA发射的带有“索杰纳”火星车

4、的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆。“索杰纳”火星车在火星上工作了3个月。“索杰纳”是Rocky7的一种简化型号,是JPL研制的一辆自主式机器人车,同时又可从地而对它进行遥控。该车质量不超过lL5千克,尺寸为630毫米×480毫米,车轮直径13厘米,上面装有不锈钢防滑链条。该车有6个车轮。每个车轮均为独立悬挂,其传动比为2000:1,因而能在各种复杂的地形上行使,特别是在软沙地上。车的日i后均有独立的转向机构。要求正常驱动功率为10瓦,最大速度为0.4米/秒。“索杰纳”是由锗基片上的太阳能电池阵列供电的。 图1-2Rocky7原型图(6俄罗斯及前苏联研制的轮式行星探测机器人俄

5、罗斯及前苏联对行星探测机器人的研究比较活跃。MARSO KHOD火星探测车13w有冰箱那么大,其特性如下:质量为75千克,装载配置规格为70x95x70cm3,操作配置规格为120x 95X100c甜,底盘为可变底盘,6个由钛台金制成的圆锥形车轮可滚动或爬行,直径为35cm,最高速度为0.15米/秒,移动范围为lOOkm,能爬越的最大障碍物高度为50厘米,在土壤松散的地方,最大爬坡角度为20。(车轮模式或35。(车轮一爬行器模式【40J。此机器人准各先探测月球,再探测火星。前苏联研制的名为LUNO l(IOD的8轮月球探测车【4,1970年在月球表面行走10公里。它可由地球上的遥控指挥行驶。俄

6、罗斯还研制了许多行星探测机器人模型。Austin和James A提出了一种名为Enabler的机器人。该机器人由炮筒部件、车轮、T形轴、两个不正交的铰接关节组成。前轮轴线和后轮轴线相 第五章采矿车虚拟样机的建立与仿真5.1建模过程5.1.1环境变量的设置本研究对作业车虚拟样机模型进行了如下设计:环境变量单位为了建模方便,设置如下:表5-1虚拟样机环境变量及其单位设置环境变量单位长度cm(厘米质量kg(千克力N(牛顿时间s(秒角度度频率HZ(赫兹重力方向Y轴负向5.1.2基本车体模型的建立作业车的悬架采用连杆构件,构件的材料为steel,该移动机器人模型的整体主要参数如下:车轮半径12.5cm,

7、车身长110cm,宽60cm,高62cm,重200kg。采矿车虚拟样机模型如图5.1: 图5-1采矿车虚拟样机模型车轮在ADAMS中有几种建法: 4、地面坐标系方向相对于大地坐标系方向的转换矩阵(0IuENTAoN,此项可忽略,系统默认的地面坐标系方向与大地坐标系方向相同;5、地面谱的节点(NODEs中需要输入节点的数量和每个节点的坐标;6、地面谱的元素(ELDdENTS中需要输入构成地面的元素的数量、构成每个三角形元素的三个节点以及每个元素中轮胎与地面之间的静摩擦系数和动摩擦系数。在本虚拟样机系统中,编制了具有各种坡地障碍物的地面谱。斜坡障碍物高度均为25cm,即车轮直径的高度。且地面取在Y

8、=0的平面内。5.2参数化模型在该虚拟样机中,主要实现了铰链位置的参数化和各车轮驱动力的参数化,从而可以很方便的在仿真过程中进行调节,以便根据实际情况在不需要重新建模的情况下即时调整车子结构和运动参数。5.2.1铰链位置参数化ADAMS中主要提供了四种参数化方式391,这里使用第一种:参数化点坐标,即在建模过程中,点坐标主要用于定位几何形状、约束点和载荷作用点的作用;将点坐标位置参数化,可以自动地修改与参数点有关联的有关对象。此处对确定铰链位置的点的横坐标(Dv1和纵坐标(Dv2的大小进行了参数化。参数化后,通过命令语句(以DV l为例:variable set variable=。robot

9、。DV l real=￥slider.1与参数选择对话框相联系。其参数化控制界面见图5-2。 图5-2铰链位置参数化控制界面其中铰链横坐标可调节范围为(O,50,即两车轮间的任意位置;纵坐标可调节范围为(12.5,62.5,对应于啊=(0,50,即车体和车轮中心间的任意位置。5.2.2车轮驱动力的参数化这里使用ADAMS中提供的四种参数化方式中的第四种:使用参数化表达式,即通过对样机中控制车轮运动的motion表达式中采用参数化表达式,在ADAMS中定义三个变量:dv4、dv5和dv6分别对应三对车轮的motion中的最终速度值,具体函数表达式为:step(time,0,0,80,DlVj;s

10、tep(time, 0,0,80,DV5;step(time,0,0,80,DV6。其参数值可根据仿真所需实时调节,其参数化控制界面见图5.3。 图5.3车轮驱动力参数化控制界面三个滑动条分别对应三对车轮的motion值,最小值为零,最大值为160。仿真时选用不同的参数进行仿真,为了使仿真结果区别更加明显可,选用如下差别比较大的几组参数进行仿真:对于第一种典型路面;1、X=25,Y=37.5:斜坡30。(X,Y指铰链位置的纵坐标和横坐标2、x=25,Y=37.5斜坡45。对于第二种典型路面;l、X=25,y_-37.5,70度阶梯型障碍2、X=15,】,=27.5,70度阶梯型障碍3、X=35

11、,y=27.5,70度阶梯型障碍404、X=35,】,=42.5,70度阶梯型障碍5.3仿真结果及分析5.3.1典型路面1越障仿真结果及分析1.30。斜坡(1.车体速度平稳性D15n,-10n 薯|5000.50robot/1k-"/h/力/r料一。/ry I/005.010D15D20025D r岫-螬s Lest_Run"time(secD3502口0B-11-041图5-4越30。斜坡车体质心速度图图5-4表明车体能顺利爬上30。斜坡,在越障过程中车体速度有波动,但是能很快平稳下来,并且速度均大于O。(2.车体加速度变化lRfrao鞘tII|.1一I k一。“卜f-。一:1图5-5越30。斜坡车体质心加速度图图5.5表明,30。斜坡对于悬臂式六轮移动机器人的整车振动的影响不大,41一譬量墨 10D9000鲫0700,0600050004000E三五五五西五巫亘固。_一Analysis:Last_Run 10D150Tfme(删图5-11典型路面2越障(铰链位置(15,27.5车体质心加速度图:一摹姒I I腻三蓬毒兰妻萋兰I I I I.1l图512典型路面2越障(铰链位置(35,27.5车体质心加速度图1cm T馏nsl锄on