履带机器人（共6篇）
履带机器人 篇1
1 引言
履带行走机器人为了完成各种任务, 必须能够在各种路面上行走, 因此行走装置是机器人的重要执行部件。它不仅要像车辆一样在广阔的空间自由行走, 还要支撑机器人的工作装置进行各种工况作业。为了实现以上几种基本功能, 在明确底盘基本设计参数指标的基础上, 要对履带行驶系统进行初步的计算分析。
底盘基本参数性能指标:总质量为500kg;长×宽×高为1445mm×1000mm×1050mm;最高行驶速度为6km/h;履带接地长度为870mm。
2 履带行驶系统设计
行驶系统作为履带行走机器人行动的一个载体, 其性能的好坏将直接影响到机器人整机工作性能。
本文设计的机器人的行驶系统采用对称式履带结构设计, 每侧安装4个支重轮, 1个张紧轮, 1个驱动轮, 通过履带使各个轮子链接起来进行动力传动, 利用差速转向原理转向。驱动方式为电机驱动, 左右两侧驱动轮分别由各自的电机通过减速器带动, 电机的动力通过履带传递到其它各个轮子[1]。基本结构简图如图1。
1.张紧轮2.履带3, 6.刚性支重轮4, 5.弹性支重轮7.驱动轮
3 驱动转矩的计算
机器人在水平坚实地面行驶时, 驱动轮上所需提供的驱动转矩为T1:T1=mag frd=46.06N·m
式中:ma-机器人总质量, kg, 取ma=500kg;f-滚动阻力系数, 取f=0.1;rd-驱动轮动力半径, m, rd=0.094m;
所以在该工况下, 每侧驱动轮所需提供的驱动转矩为T1/2, 即23.03N·m。
4 使用Recur Dyn建立履带系统模型
履带行走机器人的履带系统主要由履带环、驱动轮、支重轮、张紧轮构成[2]。在Recur Dyn/Track子系统环境下依次创建履带板 (53个) 、驱动轮 (1个) 、支重轮 (4个) 、张紧轮 (1个) 三维实体模型, 应用Recur Dyn软件提供的履带装配功能, 从驱动轮开始, 按照逆时针的方向依次选中支重、导向轮, 最后回到驱动轮。至此, 履带系统模型就建立好了, 如图2所示。装配完成后, 相关构件的接触以及履带板销轴之间的衬套力都会随之自动添加, 可以根据要求修改相应的参数以满足设计要求。此时模型已包含履带系统的全部信息。
将主机刚体模型在UG中建模后导入到Recur Dyn中, 各部件之间的运动副如表1所示。
至此, 完成了整机仿真前所有建模工作。仿真模型如图3所示。
5 行驶平顺性仿真分析
机器人大部分的工作时间均在水平路面上行驶, 水平路面行驶时各项参数的好坏直接影响机器人的工作稳定性和可靠性。通过仿真机器人在水平路面的行驶工况, 测量驱动轮的驱动转矩、炮弹在竖直方向上的振动位移和振动加速度曲线。将驱动轮的驱动转矩测量结果与理论计算值进行比较, 验证理论计算结果的正确性。分析研究炮弹在竖直方向的振动位移和振动加速度曲线评价机器人的行驶平顺性。仿真如图4所示。
驱动函数为:step (time, 0, 0, 2, 0) +step (time, 2, 0, 5, -1050d) 。该驱动函数根据设计要求水平路面行驶速度6km/h转换成驱动轮上的角速度。
为了分析行驶平顺性, 测量炮弹重心在竖直方向的振动位移和振动加速度曲线, 如图5~6所示。
由炮弹重心的振动位移曲线和振动加速度曲线我们可以得出:从启动开始至稳定行驶, 竖直方向炮弹重心位于939~986mm, 波动范围是47mm, 稳定行驶后在963.3mm处上下波动。振动加速度的变化范围是-16~15.5m/s2, 在整个行驶过程中振动加速度的均值为-0.039m/s2。
左右履带系统驱动轮上的转矩如图7~8所示。
通过驱动转矩曲线得出:最大转矩为114.4N·m, 发生在左侧履带。稳定运行后, 左侧履带的平均转矩为25.8N·m;右侧履带的平均转矩为25.5N·m。
6 仿真结果分析
6.1 转矩比较
将各种工况下驱动转矩的理论值与仿真得出的结果进行比较, 如表2所示。
由表2可知, 机器人稳定运行后, 两侧履带驱动转矩仿真结果的平均值与理论计算值有少许差异, 原因是机器人的重心略偏向尾部, 所以仿真时履带的接地比压分布与理论的接地比压分布略有不同, 而且机器人在行驶过程中履带会剧烈振动, 这些都会导致驱动转矩变化。
6.2 行驶平顺性分析
行驶平顺性是履带车辆研制时的重要指标之一, 如果履带车辆在起伏不平的路面上行驶, 遇到凸起和凹坑, 支重轮就会沿着路面做上下运动, 引起车体之间的刚性冲击, 造成机架的损伤, 影响行驶速度和车辆的机动性。研究平顺性的主要目的就是控制振动系统的动态特性, 使振动的“输出”在给定工况的“输入”下不超过一定界限。仿真整机在水平路面满载工况, 将炮弹重心在竖直方向上的振动位移和振动加速度的仿真结果见表3, 与汽车平顺性国家标准[3] (见表4) 比较, 炮弹重心的振动加速度均小于汽车平顺性国家标准, 在国家标准允许的范围内。所以机器人在水平路面满载行驶时行驶平顺性较好。
7 结论
(1) 仿真机器人水平路面上行驶, 得到两侧履带系统驱动轮的驱动转矩, 与理论计算结果比较, 结果相近, 可知机器人设计合理。
(2) 将机器人在水平路面满载仿真, 得到炮弹重心的振动位移和振动加速度, 将其结果与国家标准比较后可知, 机器人的行驶平顺性较好, 参数设计合理, 满足设计要求。
摘要：设计了一种履带行走机器人的行驶系统, 计算出驱动轮上的驱动转矩, 建立了整机仿真模型。使用RecurDyn软件对履带行驶系统进行仿真, 对理论计算结果进行验证, 表明机器人行驶平顺性较好。
关键词：履带行驶系统,RecurDyn,性能仿真,平顺性
参考文献
[1]王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[2]范秋霞.采煤机搬运车 ( (单驱) 静态分析与动态仿真[D].太原:太原理工大学, 2007:
[3]韩宝坤, 张宇, 李晓雷.履带模型与仿真[J].计算机仿真, 2003 (5) :7-9.
履带式救援机器人行走系统设计 篇2
我国是世界上灾难发生最为严重的少数国家之一,具有灾害种类多、发生频率高和分布地域广等特点。如果能够使用具有探测救援能力的机器人,通过接受控制中心的命令,有效地在危险环境中进行搜救或返回有用信息,将会为营救人员提供最有效的帮助,具有十分巨大的应用价值。
早在1968年,美国科研人员就开始对移动机器人进行研究。起初,移动机器人技术主要应用于军事领域的活动,例如战场侦察、排雷、防化、信号干扰或直接作战等。但随着移动机器人应用领域的拓展以及人们发现灾难现场环境与军事战场环境有不少相似之处,这说明军用机器人在经过适当的改进之后便可推广到灾难救援领域。在现今的救援活动中,已有直接应用在救援领域的移动机器人[1,2,3],例如加拿大Inuktun 公司的机器人(Micro VGTV,Micro trace和Mini traces)、美国Foster-Miller公司提供的机器人(SOLEM,Talon和Urbot)以及iRobot公司的Packbot和ATRV。国内已有不少专家学者意识到救援机器人的重要性,并在该领域开展了广泛的研究且已有一定成果,如沈阳自动化研究所的蛇形机器人、北京理工大学的轮—履式救援机器人。
1 救援机器人行走系统总体方案设计
本文提出的救援机器人行走系统本体部分由主体、主履带移动机构、摆臂机构3个模块组成,如图1所示。主体模块将左右主履带移动模块连成一个整体,主要用于安装各种传感器、机械臂、控制硬件及电池;主履带移动机构模块内部装有传动机构及电动机,用于实现救援机器人的前进、后退以及转向;救援机器人共有四个摆臂机构模块,均可相对于主体模块独立正反旋转360°,实现多种组合姿态,以辅助支撑的形式使得救援机器人能平稳地通过各种障碍和复杂地形。
从图1可知,救援机器人的三大模块对称分布,主体模块位于机器人正中,主履带移动机构模块上下对称,4个摆臂上下、左右对称。因此,机器人结构对称、紧凑,重心位于其中心附近,有利于提高机器人平稳性。
2 救援机器人行走传动方案设计
救援机器人行走传动系统由两部分组成:履带转动传动系统和摆臂摆动传动系统。根据设计要求,机器人由两个主履带和4个相互独立、可自由转动的摆臂履带组成,共有6个自由度。
为使结构紧凑,救援机器人所有传动均内置于主履带中,即每个主履带内部包裹有3个电动机及传动零部件,如图2所示。
图3为两自由度输出传动结构图,其主轴采用了内外套轴结构,以满足双自由度输出的需要。图中,两个直流伺服电动机1,13经两套蜗杆传动减速后分别驱动内轴4和外轴9。两自由度的传动路径如下:1) 履带转动传动系统:1→2→3→5→4→6(7);2) 摆臂摆动传动系统:13→12→11→10→9→8。
上述传动设计简洁紧凑。首先充分利用了主履带模块的内部空间,减小了机器人的体积;其次外轴与摆臂内侧板直接固连,减小了摆臂运动的空程误差;再有,对称的机构布局可以使得机器人的质心在几何中心附近,有利于运动控制。紧凑的传动布局使得机器人存在充足的空间来安装电动机和电池。
3 救援机器人越障过程分析及尺寸参数设计
救援机器人的越障性能不仅与障碍的形状特点有关,更与机器人的机构特点息息相关,是一个环境与机器人交互作用的结果。在机器人设计过程中,需针对具体的灾难环境设计机器人的关键尺寸,以保证机器人的机动性与越障性能。灾难环境可分为结构地形和非结构地形,结构地形包括楼梯、高台、斜坡等规则地形。在确定尺寸时,结构地形是尺寸设计的重要参考依据,而非结构地形无法具体尺寸量化。但是当救援机器人能够顺利通过结构地形,则表明机器人具有通过非机构复杂地形的能力,因为非结构地形可以看作是由若干结构地形组合而成。
下面将基于结构地形(迷宫宽度、高台、楼梯)的具体尺寸及对机器人所提出的各项性能要求来确定机器人的各项重要尺寸。需要确定的机器人尺寸包括:主履带移动模块和摆臂模块的长度、主履带移动模块和摆臂模块各履带轮的直径及机器人的宽度。最终使机器人在满足越障的性能要求下,具有更加灵巧的尺寸。
针对机器人的结构分布及其工作环境,做出以下假设:1) 机器人的重心保持在其对称中心,不随机器人的姿态的变化而波动;2) 机器人越障过程均为低速,匀速运动,且与环境保持平稳接触。
在机器人实际行走过程中,重心是随着机器人姿态的变化而波动的。如果机器人以较大的速度冲越障碍时,则存在着较大的不确定性。为此,在理论计算出机器人尺寸时,参考已有救援机器人的尺寸,附加一定余量,保证机器人尺寸能够满足环境要求。
3.1 走廊行走
根据建筑的设置标准,走廊的宽度W=1200mm。救援机器人需在内自由行走、转向,能够灵活运动。假设车体的宽度为B,长度为L。履带式移动机构具有绕其几何中心转向的特性,如图4所示。假设机器人中心点位于迷宫通道中间时,若需要机器人能够灵活转向掉头,即需机器人的对角线长度小于迷宫通道宽度:
L2+B2≤W2 (1)
3.2 上下楼梯
楼梯是灾难场所中典型的结构环境之一,是机器人尺寸设计的重要依据。就关节式履带机器人而言,若使机器人能够平稳地爬楼梯,机器人展开的长度必须大于或等于两个台阶,以确保机器人与楼梯之间平稳接触。所以,为了机动性要求,需要根据障碍的结构尺寸来具体分析机器人的尺寸约束条件。若机器人的重心不随其姿态的变化而产生变化,并假设:1)摆臂的长度必须高于台阶的高度,并且当摆臂与台阶形成一角度时,有足够的驱动力将机器人撑起;2)机器人的展开总长可以跨越三个台阶[5]。
救援机器人的上楼梯过程可分解为图5所示的8个阶段。对其中的关键姿态的分析,可得出尺寸的约束条件。
a) 上楼梯阶段
在上楼梯阶段,机器人的关键姿态如图6和图7所示。在整个上楼梯过程中,机器人最少保持履带与两个台阶边缘接触,且重心必须位于两个接触点的中间,防止机器人与台阶之间产生冲击。
摆臂的中心距为L1,主体的中心距为S,假设机器人的重心位于其中心点即点O。摆臂大带轮和小带轮的半径分别为R,r,重心到机器人底边的距离为E。
如图6所示,根据假设条件1,可得:
H≤R+(L1-r)×sinα (2)
如图7所示,要使得机器人平稳地从第一级台阶爬到第二级台阶,就需要在后侧摆臂机构离开第一级台阶边缘M1时,机器人的重心O的竖直投影应落在第二级台阶边缘M2的右侧,且前侧摆臂机构接触到第三级台阶的边缘M3。即得到如下关系式:
b) 下楼梯阶段
同理,为了使机器人在下楼梯阶段能平稳的从第二台阶过度到第一台阶,需要以下关系式:
根据式(1)～(4),并结合机器人结构参数和楼梯参数:W=1200mm,H=200m,α=50°,b=250mm,h=200mm,通过计算确定对机器人总体结构尺寸如表1所示。
4 结论
提出了一种履带式救援机器人行走系统的实现方案,从总体设计方案、传动方案设计和越障过程分析等方面进行了详细的分析,该结构保证了机器人的机动性和越障性等各项性能,从而使得机器人得以在复杂环境中活动自如,真正实现救援功能。
参考文献
[1]陈淑艳.移动机器人履带行走装置的构型与机动性能研究[D].扬州:扬州大学,2008.
[2]刘金国,王越超,李斌.灾难救援机器人研究现状、关键性能及展望[J].机械工程学报,2006,42(12):1-12.
[3]隆文革,王艾伦.便携式四轮履机器人的设计与仿真[J].机床与液压,2008,36(1):66-67,89.
[4]陈志华,钱瑞明.基于ADAMS的救援机器人越障过程分析及仿真[J].机械制造与自动化,2010,39(1):157-158,164.
履带机器人 篇3
林用履带机器人是森林作业的关键技术,森林环境复杂,地貌差别很大,加上自然灾害的影响,人类在林区作业较为危险,自主式智能机器人的研究是刻不容缓的。考虑到森林地面的特殊地貌环境,采用普通轮式作业机械,在松软土壤、沼泽或淤泥地面上,不利于车体的正常前进,因此在林用机器人的研究上选取了与地面接触面积大、不易打滑与深陷的履带式机器人[1]。
林用履带机器人是由液压系统驱动的带摇臂的履带车,行走路径的控制需要根据林用机器人左右行走履带速度、车体速度、方位角和位置,采用智能控制方法,来达到机器人以预定行走速度按照预定的行走路径来完成林区作业的目的。因此,建立林用履带机器人行走速度控制模型和跟踪预定行走路径控制模型,开展联合仿真研究,具有重要意义。
1 运动学模型
林用履带机器人在林区作业时以预定速度(0~1)直线行驶,遇到超过指定大小的障碍物则避开障碍物,较小的障碍物则直接跨越,最小转弯半径为0,且在行驶过程中,左右履带的打滑率均小于15%[2]。因此,林用履带机器人自动跟踪预定行走路径方式为车体以预定速度完成直线行走和按照实际路面决定的转弯半径转弯。
林用履带机器人的运动学模型如图1所示。坐标系为xoy为固定在车辆上的坐标系,车辆的纵向为y轴,车辆的横向为x轴,其转向运动瞬时重心为M点。
林用履带机器人运动学模型为:
式中vr——车体实际行走速度
ω——车体实际行走角速度
θr——车体实际方位角
vr1——右履带实际行走速度
vr2——左履带实际行走速度
B——左右履带中心距
式中xr——车体实际位置横坐标
yr——车体实际位置横坐标
式中vrout——外侧履带预定行走速度
vrin——内侧履带预定行走速度
fslipo——外侧履带打滑系数
fslipi——内侧履带打滑系数
式中ve——车体预定行走速度
ωe——车体预定角速度
2 自动跟踪预定行走路径控制模型
林用履带机器人自动跟踪预定行走路径控制方案,对于转弯过程所建立的模型,利用Matlab/Simulink[3]对其的转弯过程进行仿真实验,建立林用履带式机器人行走过程控制模型如图2所示,在此过程中,考虑其内外侧滑转系数均取最大值15%,各模块均在Matlab/Simulink中封装。
3 仿真与分析
采用林用履带机器人的整车预定行走速度为输入信号:ve=1m/s,ωe=0.5rad/s,仿真结果如图5所示,机器人以预定速度与角速度转弯,运动较为稳定,输出结果为车辆重心的坐标值,可以看出,车辆运动轨迹趋于圆周运动。
当林用履带机器人转弯过程中内外履带滑移系数不同时,通过修改控制模型中的系数来仿真,如取fslipo=15%,fslipi=10%得到转弯过程车体实际位置坐标图(如图6),通过对比可以看出,当内侧滑转系数减小时,车体转弯半径减小,可以得出结论:在转弯过程中,当内侧履带的滑移系数减小时,车体的转弯半径减小,当内侧履带的滑移系数为0时,即内侧履带不存在打滑现象时,林用履带机器人将实现原地转弯,即最小转弯半径为0。
4 结论
1)林用履带机器人左右履带打滑率分别为0~15%时,机器人的自动跟踪预定行走路径的位置和方位角精度满足了技术指标,故其最大打滑率应为15%。
2)林用履带机器人在转弯过程中车体和履带速度响应特性符合实际工程,其建模和仿真真实可靠,为林用履带机器人物理样机的建立提供了技术依据,是机器人投入林区作业的可靠保障。
摘要：林用履带机器人是森林作业的关键技术,由于森林环境复杂,机器人在行走的过程中左右履带极易打滑,难以控制其行走路径,利用Matlab/Simulink软件,建立林用履带机器人的行走速度控制模型和跟踪预定行走路径控制模型,进行联合仿真,结果表明,林用履带机器人在行走过程中的位置和方位角满足精度要求,为物理样机的建立提供了技术支持。
关键词：林用履带机器人,Matlab/Simulink,速度控制,联合仿真
参考文献
[1]王涛.履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析[D].南京理工大学,2007.
[2]王随平,韩冷飞,张艳存.基于滑转率的深海集矿机模型车防滑控制[J].自动化与仪表.2008,06.
履带机器人 篇4
移动越障机器人所处环境大多为复杂的非结构化环境,因此机器人需具备高机动性、强大的环境感知能力和快速的反应能力。目前主要的越障方式有轮式、腿式、履带式以及复合方式,国内外专家学者还对摆臂机器人、关节式履带机器人等进行了大量的研究工作[1,2]。其中轮式越障机器人效率最高,但适应能力最差;腿式越障机器人适应能力最强,但效率最差;履带式越障机器人有着良好的爬坡性能和一定的越障能力;复合式越障机器人是适形越障机器人中的一种,其有轮/腿式、轮/履带式等多种结构形式。复合式越障机器人结构复杂,因此有必要先进行仿真研究。在实际环境中存在很多软土路面,这种环境对机器人行走具有很大的挑战性。本文在已建立主从履带复合式机器人样机模型的基础上,以一般黏性软土路面为环境对象验证样机行走的可靠性。
1 主从履带复合式机器人样机模型
主从履带复合式机器人样机模型如图1所示。
2 履带行走系统的力学系统
对于履带车辆来说,履带板和路面间的附着力是行驶的外阻力,驱动链轮提供的驱动力与链轮、支重轮和导向轮的滚动阻力之差为地面牵引力。车辆行驶时首先要克服行动装置中的损失(阻力),才能为克服外阻力提供推进力(可传递的牵引力)[3,4]。
根据力学平衡关系,有
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式中:Mk为驱动轮转矩;Mf为内部总阻力矩;rk为驱动轮半径;Fd为驱动轮驱动力;Ff为内部摩擦总阻力,即行动装置阻力;FK为地面牵引力。
有效牵引力FT可表示为
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式中:FR为外部行驶阻力。
定义行驶阻力系数为履带挤压土壤而产生的变形阻力的水平分力与机器重力的比值加上内摩擦阻力系数的和,即有
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式中:f为行驶阻力系数;F′R为土壤水平变形阻力;G为机器重力与垂直外载荷的合力;fo为机器内摩擦阻力系数。
内部行驶阻力包括主动轮和履带链的啮合摩擦阻力,支重轮和张紧轮在履带上的滚动摩擦力,支重轮、托带轮和张紧轮转动时轴承、密封件内部产生的摩擦力等,这些摩擦力只与履带式车辆的质量和支重轮、导向轮等轮系的结构、材质及润滑条件有关,而与路面状态无关。在履带式行走车辆的设计中,为简化计算,一般取机器内摩擦阻力系数为0.07[5,6]。
外部行驶阻力主要指地面受履带挤压而产生的变形阻力,当机器重心与履带行驶装置的几何中心重合时,土壤水平变形阻力只发生在履带接地区段最前端,其余部分将不产生附加土壤水平变形阻力。此时机器所承受的总土壤水平变形阻力为
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其行驶阻力为
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行驶阻力系数为
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式中:n为土壤变形指数;b为履带宽度;KC为土壤黏性成分所决定的变形模量;Kφ为土壤摩擦性成分所决定的变形模量;Zmax为履带最大沉陷深度;L为履带接地区段长度。
各种常见路面的履带行驶阻力系数及附着系数测试值见表1。
3 软土路面仿真分析
多体动力学软件RecurDyn采用相对坐标系运动方程理论和完全递归算法,适用于求解大规模及复杂接触的多体动力学问题,因此选用RecurDyn作为仿真工具。黏土的土壤特性参数设置见表2。
首先设置样机在10 s内前进2 231 mm,稳定前进的速度为240 mm/s左右。仿真开始后,样机位置从初始的+33 mm沉陷到-2.8 mm,而后由于履带转动和样机前进,样机位置上升至4 mm左右。
样机前进中主从履带链轮转矩如图2所示。从图2可见,样机平稳行驶时,主履带链轮转矩保持在80 N·m左右。由于平地软土路面环境比较复杂,所以在该类路面上行驶时需对马达性能进行适当调整。由于载荷不稳定,从履带链轮转矩出现负值,但稳定行驶期间该值为正,且保持在12 N·m左右,说明此时从履带和主履带同样起到了驱动负载的作用。
通过以上分析可知,从链轮正下方到引导轮正下方,履带接地段的沉陷量不同,引导轮下履带沉陷量更大,这是由于样机重心位置没有与几何中心位置重合造成的,与行驶状态图所观察到的情况一致。
黏土路面tracklinkS2与轮系、链轮的接触力如图3所示。由图3(a)可见,tracklinkS2与负重轮的接触力较小,与引导轮接触时的冲击载荷较小,但稳定载荷略大,为30 N左右。由图3(b)可见,tracklinkS2与链轮的接触力较为平稳。
4 结论
(1) 主从履带复合式机器人样机在黏土路面行驶时,路面沉陷量较大。由于车体重心靠后,主履带的沉陷量大于从履带,主履带后半段的沉陷量比前半段大得多,这样的压力不均匀分配可能导致履带局部接地,履带块的疲劳载荷过大,降低履带寿命,因此设计时要注意车体重心的合理分配问题。
(2) 黏土路面与负重轮的接触力较小;与引导轮接触时的冲击载荷较小,但稳定载荷略大,约为30 N;与链轮的接触力较为平稳。
参考文献
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[4]戴瑜,刘少军.履带车多刚体建模与仿真分析[J].计算机仿真,2009,26(3):281-285.
[5]徐璐,陈阳舟,居鹤华.基于动态行为控制的移动机器人自主避障[J].计算机工程,2007,33(14):180-182.
履带机器人 篇5
关键词：履带式移动机器人,轨迹跟踪,控制Lyapunov函数
0 引言
移动机器人越来越多地应用在星球表面探测、地震或事故救灾现场、爆炸物处理及战场侦察救援等非结构环境中,不规则和不平坦的地形是这些环境的共同特点,这种地形使得轮式移动机器人的应用受到限制。虽然腿式移动机器人能够满足某些性能要求,但是由于其结构自由度太多,控制比较复杂,应用也受到一定的限制。而履带式移动机器人在复杂环境中具有良好的通用性能和越野机动性,更适合执行特殊任务,因此履带式移动机器人具有很高的使用价值及广泛的应用前景[1]。由于履带式移动机器人的动力学模型难以进行精确的描述,目前对于轮式机器人轨迹跟踪控制的研究比较多,而对于履带式移动机器人轨迹跟踪控制的研究比较少[2,3]
本文首先分析了履带式移动机器人的运动特点,将其简化为轮式移动机器人系统。其次,基于控制Lyapunov函数,设计了机器人的轨迹跟踪控制算法,对履带式移动机器人进行了控制研究,同时考虑到机器人的运动学约束,引入受限策略保证了机器人的运动平滑。最后,通过仿真实验验证了该方法的有效性。
1 履带式移动机器人运动模型
假设履带式移动机器人在水平面内沿逆时针运动且转向运动不剧烈,XOY为机器人所在的世界坐标系,xoy为建立在机器人本体上的车载坐标系,坐标系原点位于机器人几何中心,x轴沿中心线指向前进方向。机器人转弯时,履带与地面之间发生相对滑动,过转动瞬心且平行于y轴的直线将履带分为前后两段,d为转动瞬心和质心在车载坐标系中的横向距离,如图1所示。
由图1可知,该履带式移动机器人的前进速度仅受到两条履带驱动力的影响,机器人的方向角仅由该驱动力的不同而得到相应的输入角速度来控制。令ωL,ωR分别表示机器人左右履带的角速度,r代表履带驱动轮半径。根据图1的速度分析,履带式移动机器人的运动学方程为
其中,履带式移动机器人的前进速度v=x,左、右履带的速度分别为vL=ωL r、vR=ωR r。XOY与xoy间的变换关系矩阵为
2 轨迹跟踪问题描述
设履带式移动机器人的实际位姿为Pc=[xc,yc,qc]T实际速度为[vc,ωc]T,参考位姿为Pd=[xd,yd,qd]T,参考速度为[vd,ωd]T,Pc和Pd二者之间的位姿误差矢量为Pe=[xe,ye,qe]T,Pe可描述为[4]
对式(3)求导则可得到轨迹跟踪误差的微分方程为
履带式移动机器人的轨迹跟踪问题就是对任意初始位姿及速度误差,寻求有界输入U=[vc,ωc]T,使具有实际位姿的履带式移动机器人能够跟踪由Pd和速度控制量Ud=[vd,ωd]T所描述的参考模型,并使得‖[xe,ye,qe]T‖=0。
3 跟踪控制器设计
控制系统的结构示意图见图2。设计控制算法的目的,就是根据履带式移动机器人的位姿误差及其参考输入而产生控制输入U,然后经由履带式移动机器人自身的速度跟踪控制器而形成实际的Uc来最终控制机器人的位姿。
令控制参数kx,ky,kq有界,且都大于零。设计如下控制律[5]
构造Lyapunov函数为
结合式(3)、(4),对式(6)求导得
将式(5)代入式(7),得
根据Lyapunov稳定判据可知在全局范围内当kx,ky,kq有界且都大于零时,采用式(5)所示的控制律能够使加履带式移动机器人系统渐进收敛于稳定平衡点Pe=0。又考虑到履带式移动机器人运动过程的动力学特性,如果机器人的运动速度或加速度太大,控制律所产生的控制量[vc,ωc]T可能会超出系统控制量的最大值[vmax,ωmax]T或[]T,这将导致机器人的运动打滑。为此,本文在控制律中引入如下控制策略:
4 仿真实验
为了证明本文设计跟踪控制器的有效性,在Matlab环境下对履带式移动机器人系统进行了仿真实验。机器人稳定行驶时的最大速度设为18m/s,最大转动速度设置为。选取参考轨迹vd=1.3m/s,ωd=0.9rad/s圆心为(0,0),即期望轨迹作圆周运动。初始值为xd(0)=0.0m,xd(0)=-2.5m,qd(0)=0.0rad;xc(0)=1.5m,yc(0)=-2.5m,qc(0)=p/4rad,即Pe=[-1.061,1.061,-p/4]T。控制增益kx=3,ky=7,kq=5,仿真结果如图3、图4和图5所示。
5 结论
本文分析了履带式移动机器人的运动特点,基于此将履带式移动机器人简化为轮式移动机器人系统模型。基于控制Lyapunov函数,提出了一种履带式移动机器人的轨迹跟踪控制器的设计方法。考虑到机器人的运动学约束,控制过程中引入机器人系统的速度和加速度约束,保证了机器人的运动平滑。仿真结果表明,本文提出的跟踪控制律能够使机器人的跟踪误差快速收敛,达到了比较满意的跟踪效果。
参考文献
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履带机器人 篇6
摆臂支撑板是履带机器人摆臂结构的重要组成部分, 起到支撑摆臂, 保证摆臂平稳运动的作用。分析摆臂支撑板在受载的情况下的应力情况, 可以更好的改进摆臂的结构, 实现机构优化设计目的。本文以摆臂支撑板为例, 运用CATIA建立三维实体模型, 并运用ANSYS对其进行有限元分析。与直接用ANSYS建模相比, 提高了建模速度, 缩短了设计周期。同时, 可以将该方法应用在如装载机动臂、曲轴等复杂的结构的有限元分析工作中。
1 CATIA与ANSYS的实体建模比较
1.1 ANSYS实体建模
ANSYS提供了两种实体建模的方法:自上向下建模法和自底向上建模法。
自上向下建模法是指从一开始就从线、面、体等较高级的图元构造模型的方法。ANSYS软件在生成一种体素时, 程序会自动生成所有属于该体素的关键点、线、面等较低级图元。
自底向上建模法是指由建立模型的最低单元的点到最高单元的体来构造模型的方法。也就是先创建关键点, 然后利用关键点定义线、面、体等较高级图元。
除此之外, 还可以用布尔运算操作、拖拉、扭转、移动、复制等操作完成实体建模。
1.2 CATIA实体建模
CATIA中创建零件三维建模的方法十分灵活, 大体分为三种:先创建基础特征, 然后再此基础上添加其他一些特征;由曲面生成零件三维实体模型;从装配图中生成零件三维实体模型。绝大多数的零件三维实体模型设计都采用的是第一种方法。
1.3 对比
ANSYS实体建模存在以下几个缺点:
1) 自底向上建模是在激活的坐标系上定义的, 自上向下建模是在工作平面内建立的, 二者不可混淆。如果混合使用两种技术, 还要考虑强迫坐标系随着工作平面进行变化。这就无疑增加了建模的复杂程度, 增大了设计人员的工作量。
2) 实体建模需要花费较多计算时间。
3) 操作过程中不能随意的进行撤销, 需要每做一步, 用SAVE DB进行保存。一旦忘记保存, 可能因为做错一步, 而导致建模失败, 甚至重新建模。
相比之下, CATIA在建模过程中可以进行多步骤撤销;进行约束建模, 一定程度上省去了用输入坐标的方式建模, 简化了建模过程;CATIA中形象化的图标使建模界面更直观。因此, 使用三维实体软件进行建模, 更利于缩短建模时间, 从而缩短整个设计周期。
2 有限元分析
2.1 前处理
2.1.1 模型的建立与导入
利用CATIA的零件设计模块, 根据摆臂支撑板的参数, 进入零件设计工作平台, 建立基础特征, 然后逐步建立其他特征, 最终完成准确的实体模型建立, 如图2所示。然后将基于CATIA建立的摆臂支撑板模型导入到ANSYS中。导入后的模型不是以实体的形式呈现的, 而是由线条构成的。此时可以运行Plot Ctrls/Style/Solid Model Facets命令, 选择Noraml Facting, 然后再运行Plot/Volume命令, 就可以显示体、面元素。
2.1.2 单元属性定义及网格划分
实体创建完之后, 需要对实体的单元属性进行定义, 它是进行网格划分的前提, 其目的是控制节点以及单元体的显示特征。单元属性定义包括:材料属性、单元类型、实常数等。由于摆臂支撑板在攀爬、越障时会受到冲击载荷, 所以选择的材料为低合金高强度结构钢Q345D, 其屈服强度为345MPa, 抗拉强度470-630MPa, 泊松比为0.3, 弹性模量206GPa。本文分析的摆臂支撑板为三维实体, 故选择solid45进行单元类型定义即可。
进行有限元分析很重要的一步就是网格划分。网格过大会导致分析后的结果不够精确;网格过密又会增加计算时间, 所以在网格划分时对划分网格的大小要有一定把握。本例中由于支撑板模型较为简单, 可选择智能网格划分即Smart Size。
2.2 求解及后处理
完成前处理的工作之后, 可以对模型进行求解。有限元分析的主要目的就是分析结构在一定载荷条件下的响应情况。因此, 施加载荷是分析中关键的一步。在ANSYS中, 载荷包括边界条件和作用力。所以在施加作用力之前, 需要先对模型进行边界条件的约束。本例中, 摆臂支撑板在落地时分为两种情况:前摆臂轮落地和导轮落地。如图2-2、2-3所示。
当前摆臂轮落地时, 支撑板前端即图2-1中支撑板右侧开口处, 受冲击载荷。图2-1中支撑板左侧与车体同轴, 此时需施加约束, 限制其自由度。在支撑板前端施加载荷。
当导轮落地时, 导轮处受冲击载荷。同样的, 需在支撑板左侧施加约束。此时, 需在导轮处施加载荷。
运行Main Menu>Solution>Solve>Current LS命令, 进行运算求解。求解结束后, 可以查看其应力、位移等情况。由于支撑板主要受径向力的作用。所以, 本例中直接输出其径向 (Y向) 位移和Von Mises应力云图, 如图5、6、7、8所示。
由位移图和应力云图可以看出, 支撑板无论在哪种情况下受载时, 其与车体同轴的孔均为受应力最大处以及变形量最大处, 应力与变形量沿着支撑板向导轮一侧逐渐递减。当所受冲击载荷逐渐加大时, 此处由于应力集中, 容易发生较大变形, 甚至断裂。在优化设计时, 要充分考虑到此处应力集中问题, 在保证摆臂整体轻量化的前提下, 适当增加支撑板厚度;同时, 适当将紧邻的加工孔远离以减小应力集中的情况。
3 结论
本文提出的基于CATIA进行三维建模, 运用ANSYS软件对模型进行单元属性的定义, 网格划分, 求解运算以及后处理工作。相比运用ANSYS直接建模而言, 很大程度上减少了建模时间, 充分发挥了CATIA的建模优势, 与ANSYS的求解分析功能, 使分析的快速性与准确性得到统一, 为大型复杂的模型进行有限元分析提供了新途径。
本例中, 通过运用ANSYS对履带机器人的摆臂支撑板进行有限元分析, 可以更直观的看出施加载荷后, 支撑板出现最大应力与最大位移的位置, 为支撑板的优化设计提供很好的参考意义;同时, 综合运用CAD设计软件和CAE分析软件, 也是现代设计的整体趋势, 对机械结构等设计具有重要的指导意义。
参考文献
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