履带式机器人（共6篇）
履带式机器人 篇1
0 引言
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
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履带式磁动力爬壁机器人本体设计 篇2
爬壁机器人是机器人领域的一个重要分支, 自1966年日本的西亮教授研制出第一台爬壁机器人以来, 英国、美国等国家也相继研制出多种爬壁机器人样机, 到20世纪80年代, 国内的许多高校和研究院也进行了爬壁机器人的研制[1], 其中哈尔滨工业大学率先进行了爬壁机器人的研究[2]。
爬壁机器人一般具备两个基本功能:吸附功能和移动功能[3]。目前已研制的爬壁机器人若以行走方式来分, 则可分为足式、履带式、轮式以及框架式四类;若以吸附方式来分, 则可分为真空吸附、磁力吸附、仿生吸附、静电吸附、推力吸附和机械吸附等几类;若以传动方式来分, 则可分为液压传动、气压驱动和电机驱动等[4]。
本文提出了一种履带式磁动力爬壁机器人, 可代替工人进入高空场所、狭小空间或危险环境对大型金属设备进行检测与维护, 从而降低工作强度、提高工作效率。
1 样机整体方案和机构设计
1.1 样机的整体方案
本样机结构上主要包括车体机构、履带机构、供电机构、驱动机构、张紧机构和变速机构。车体机构采用了铝作为加工材料, 如图1所示, 在车座两侧分别安装了2个驱动轮作为整体的支撑, 2个链轮用于履带的导向, 2个变速轮用于运动速度的调节, 工作时由履带上即将触及接触面部位的电磁铁和接触面之间的磁力带动履带转动, 从而带动驱动轮转动, 进而带动样机整体前移。
1.2 车体机构的设计
车体机构是该样机的主要支撑部分, 由车座、驱动轮、调速轮、链轮、主轴、转轴Ⅰ、转轴Ⅱ和轴承组成。如图1所示, 驱动轮有4个, 通过主轴安装于车座两侧;链轮有4个, 通过转轴Ⅱ安装于车座底部的两侧, 且位于驱动轮外周;调速轮有4个, 通过转轴Ⅰ安装于车座顶部的两侧, 且位于链轮外周;履带机构安装在车座两侧的驱动轮、链轮和调速轮四周上。
1.3 履带机构的设计
履带机构是本样机驱动力和吸附力的唯一来源机构。工作时, 由履带上即将触及接触面部位的电磁铁和接触面之间的磁力提供驱动力和吸附力。
履带机构由压力开关、电磁铁、履带板、滚珠、正极触电头和负极触电头组成, 履带板的下端装有电磁铁, 其目的是通电后用以提供驱动轮和吸附力;履带板的上端装有压力开关, 其目的是控制电磁铁的通断电;滚珠安装于压力开关顶部, 其作用是减小工作时压力开关所受的摩擦力;履带板的内侧安装有正极触电头和负极触电头。
1.4 供电机构的设计
供电机构是该样机的唯一能量来源, 其作用是给电磁铁供给电能。
由于履带机构为非静止机构, 所以该样机的供电方式选择了接触式供电。如图1所示, 供电机构由供压板、正极通电线、负极通电线和电源线组成, 供压板安装在车座两侧, 且位于压力开关正上方, 其作用是当压力开关经过供压板下方时, 使压力开关处于连通状态;在车座两侧还分别各安装有一个正极通电线和负极通电线, 其安装位置为恰好使正极触电头与正极通电线相接触、负极触电头与负极通电线相接触, 正极通电线和负极通电线通过电源线与电源相连。
1.5 驱动机构的设计
驱动机构的作用是给样机的运动提供原动力。
如图1、图2所示, 驱动机构由推拉电磁铁、铰链、连杆、驱动板和控制线组成, 供压板两端均设有2个铰链, 推拉电磁铁安装在供压板上且位于铰链内周, 推拉电磁铁通过平面连杆机构与驱动板相连接, 工作时通过推拉杆的伸缩控制驱动板的升降, 以改变样机整体的受力, 从而驱动样机行走;供压板前后的推拉磁电磁铁的通电和断电由控制线所连开关控制。
1.6 张紧机构和变速机构的设计
如图3所示, 张紧机构由张紧调节丝杆和张紧调节螺母组成, 变速机构由变速调节丝杆和变速调节螺母组成。
张紧调节丝杆用以安装调速轮, 张紧调节丝杆通过螺纹啮合于张紧调节螺母, 张紧调节螺母的支撑杆又通过变速调节丝杆和变速调节螺母安装在车座上。工作前可通过调节张紧调节螺母张紧履带, 也可通过调节变速调节螺母以改变变速调节丝杆与车座的夹角, 从而改变履带与接触面的夹角, 进而改变样机爬行速度。
2 样机的行走原理
由于常态时, 供压板前后的推拉电磁铁的推拉杆均处于压缩状态, 即驱动板下方的压力开关在驱动板施压的条件下处于连通状态, 又因为驱动板在车座前后对称分布, 所以当初接通电源时, 若忽略车座前后驱动板下方的电磁铁位置的偏移, 则样机整体受力平衡, 即样机静止。
图4为样机在接触面静态吸附时的受力分析图。图中, G为机器人本体和负载重量, Fm为电磁铁单元的吸附力, FN为接触面对样机的支持力, Ff为样机所受摩擦力, FD1为上第一块电磁铁的吸附力在平行履带方向上的分力, FS1为上第一块电磁铁的吸附力在垂直履带方向上的分力, FD2为下第一块电磁铁的吸附力在平行履带方向上的分力, FS2为下第一块电磁铁的吸附力在垂直履带方向上的分力[5]。
设履带单元与壁面接触面积为A, 且共有n块电磁铁吸附于壁面, 则有:
式中, B为气隙密度 (Wb/m2) ;μ0为真空绝对磁导率, μ0=4π×10-7H/m;F为总吸引力 (N) 。
在平行于接触面方向上有:
在垂直于接触面方向上有:
式中, μ为电磁铁与接触面的摩擦因数。
当样机接收前行信号时, 后置推拉电磁铁接通电路, 后置驱动板在连杆机构的作用下被升起, 后置驱动板下方的电磁铁被断开, 此时FD2=0, FS2=0设与接触面接触的有m个电磁铁失磁, 则通过分析可知:
经分析可知, 如若满足上述条件, 则履带会在FD1和FS1的作用下转动, 同时上方会有一个电磁铁进入驱动板底下而带电, 下方会有一个电磁铁离开供压板而断电, 依此循环, 会通过履带的转动带动样机前行。履带式磁动力机器人吸附于接触面, 爬行时可通过改变电流的大小来改变电磁力的大小, 从而改变爬行速度, 因而可根据两侧履带的速度差进行转弯。
3 结语
本文通过履带和电磁铁的有效结合, 提供了一种爬壁机器人的本体结构设计方案。通过样机整体和各组成机构的设计, 不仅提高了爬壁机器人的稳定性, 更加强了速度的可控性。实践证明, 履带式磁动力爬壁机器人具有机构简单、越障能力强、可靠性高、能耗低、负载能力强等优点。
参考文献
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[4]李恒.爬壁机器人动力特性研究及仿真分析[D].青岛:青岛科技大学, 2010:20.
履带式机器人 篇3
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
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[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:
履带式机器人 篇4
关键词：AVR单片机,无线遥控,履带式
1 设计方案
本设计能实现在履带式直流电机坦克车体的基础上, 加装以ATmega8515为核心的控制板、双路直流电机驱动电路、六伺服机械手臂、无线遥控接受模块, 并制作以AT89S52为核心的无线遥控器。并对电动车的运动状态进行实时控制, 实现无线遥控机器人前后移动、左右转弯和机械手臂各方位移动抓取小物体的功能。
(1) 移动方式的选择:履带式移动实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外, 使车轮不直接与地面接触。履带式的的优点是着地面积比车轮式大, 所以着地压强小;另外与路面黏着力强, 能吸收较小的凸凹不平, 适于松软不平的地面。因此, 履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。
(2) 机械手驱动系统的选择:伺服电机俗称舵机, 可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构, 其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机是一种角度伺服的驱动器, 适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机作为动力特点就是体积小, 扭矩相对较大, 控制比较精密, 速度比较慢。舵机的各种特点正符合本设计的要求, 所以采用了6个舵机作为机械手的驱动电机。
(3) 无线遥控电路的选择:无线电遥控是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的技术。这些信号被远方的接收设备接收后, 可以指令或驱动其它各种相应的机械, 去完成各种操作, 如闭合电路、移动手柄、开动电机, 之后, 再由这些机械进行需要的操作。所以, 各个控制的信号在频率和延续的时间上都彼此不同, 对于控制船舶、飞机、导弹等海空行体的应用上极为广泛。
2 软件设计
一个单片机应用系统的硬件电路设计应包含有两部分内容:一是系统扩展, 即单片机内部的功能单元, 如ROM﹑RAM﹑I O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能量不能满足应用系统的要求时, 必须在片外进行扩展, 选择适当的芯片, 设计相应的电路。二是系统配置, 既按照系统功能要求配置外围设备, 如键盘显示器﹑打印机﹑A/D﹑D/A转换器等, 要设计合适的接口电路。
Atmel公司推出的ATmega8515单片机拥有丰富的片上资源:可以模拟产生多路精准PWM信号, 适用于机器人车体的中央处理单元, 极大的简化了系统电路的设计。
Atmel公司的另一种MCS-51架构的单片机AT89S52由于其易用和成本低的特点被选中作为遥控器的中央处理单元, 遥控键盘信号扫描和无线遥控信号发射的功能。
3 部分单元电路设计
3.1 电机驱动电路设计
我们采用电机驱动芯片L298N作为电机驱动, 芯片的内部功能模块。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS, VSS可接4.5~7V电压。4脚VS接电机电源电压, VS电压范围VIH为+2.5~46V, 输出电流可达2.5A, 可驱动电感性负载。1脚和15脚所接的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻, 形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机, OUT1, OUT2和OUT3, OUT4之间可分别接电动机。5, 7, 10, 12脚接输入控制电平, 控制电机的正反转。En A, En B接控制使能端, 控制电机的停转。
3.2 单片机实现舵机转角控制
单片机系统实现对舵机输出转角的控制, 必须首先完成两个任务:首先是产生基本的PWM周期信号, 本设计中是产生20ms的周期信号;其次是脉宽的调整, 即单片机模拟PWM信号的输出, 并且调整占空比。当系统中只需要实现一个舵机的控制, 采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值, 将20ms分为两次中断执行, 一次短定时中断和一次长定时中断。这样既节省了硬件电路, 也减少了软件开销, 控制系统工作效率和控制精度都很高。
3.3 发射模块
数据发射模块的工作频率为315M, 采用声表谐振器SAW稳频, 频率稳定度极高, 当环境温度在-25~+85度之间变化时, 频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差, 即使采用高品质微调电容, 温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。数据模块采用ASK方式调制, 以降低功耗, 当数据信号停止时发射电流降为零, 数据信号与发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合, 数据电平应接近数据模块的实际工作电压, 以获得较高的调制效果。
4 调试总结
经过测试, 机器人行动自如, 由于采用履带式底盘设计, 通过能力不错, 最远遥控距离大概在10米左右, 机械手定位准确、活动稳定, 偶尔电压不稳是会有抖动但是不严重, 能够抓起重量在200克以下的小物体。这个结果基本符合最初的设想, 甚至实际效果高于预想。
参考文献
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履带式机器人 篇5
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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履带式机器人 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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