履帶移動機器人

智能機器人概論履帶移動機器人爬梯原理背景介紹隨著現(xiàn)代軍事的發(fā)展和反恐戰(zhàn)爭需要,移動機器人具有可以執(zhí)行偵查、巡邏、反恐和排爆等高危險性工作的特點,其應(yīng)用前景越來越廣泛。移動機器人在工作中最常見的障礙就是樓梯,所以攀爬樓梯是移動機器人適應(yīng)結(jié)構(gòu)化環(huán)境所必備的功能。分析具有前關(guān)節(jié)臂的履帶式移動機器人的爬梯機理,以及機器人上下樓梯的步態(tài)。機器人爬梯機理分析機器人攀爬樓梯的過程可分為兩個環(huán)節(jié)第一個環(huán)節(jié)是如何使機器人翻越第一個臺階面，使機器人完全由地面支撐變?yōu)橥耆蓸翘菖_階支撐；第二個環(huán)節(jié)是在樓梯上的連續(xù)爬行。機器人爬梯機理分析第一個環(huán)節(jié)可由兩個步驟實現(xiàn)第一步：在機器人關(guān)節(jié)臂搭到臺階面以后，向下擺動關(guān)節(jié)臂，使機器人中間主體的前半部分脫離地面，直到關(guān)節(jié)臂的下側(cè)履帶與主體下側(cè)履帶齊平，此時機器人將由臺階與地面共同支撐；第二步：機器人沿著臺階面向前行進，直到機器人重心越過臺階面，機器人繞臺階面瞬間翻轉(zhuǎn)，使機器人完全由樓梯支撐。兩個步驟的實現(xiàn)都需要滿足一定的幾何條件及力學(xué)條件。機器人爬梯機理分析攀爬步驟機器人爬梯機理分析設(shè)L1為關(guān)節(jié)臂履帶的有效接地長度；H為臺階高度，實現(xiàn)第一步的幾何條件為：L1>H幾何條件為只要關(guān)節(jié)臂履帶的有效接地長度大于臺階高度，就可以有一個合適的角度使關(guān)節(jié)臂搭到臺階面，從而為把機器人抬離地面做準(zhǔn)備。脫離地面的幾何條件機器人爬梯機理分析把機器人的力學(xué)模型簡化為2根質(zhì)桿AB和BC，其中AB為關(guān)節(jié)臂，BC為機器人中間主體，B點位轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。機器人中間主體脫離地面的瞬間，可描述為桿AB繞A點的轉(zhuǎn)動與桿BC繞動點B轉(zhuǎn)動相結(jié)合的過程。脫離地面的力學(xué)條件機器人爬梯機理分析以機器人整體為研究對象，N1

為地面對機器人的支撐力;N2

臺階面對關(guān)節(jié)臂的支撐力;G1

為機器人中間主體的重力;G2

為關(guān)節(jié)臂的重力;α1為機器人中間主體繞B點轉(zhuǎn)動的角加速度;α2為關(guān)節(jié)臂繞A點轉(zhuǎn)動的角加速度；F1

與M1

為中間主體的慣性力向其質(zhì)心簡化后的慣性力主矢和主矩;F2

與M2

為關(guān)節(jié)臂的慣性力向其轉(zhuǎn)動中心簡化后的慣性力主矢和主矩;f1

與f2

是地面對機器人的摩擦力。脫離地面的力學(xué)條件達朗貝爾原理定義：作用于一個物體的外力與動力的反作用之和等于零公式：F+（-Ma）+N=0………..(式1)

其中M，a為物體質(zhì)量和加速度，F(xiàn)為物體受到的直接外力，N為物體受到的約束反作用力（也是外力）。在沒有約束時，相應(yīng)的N=0，式1成為：F-Ma=0……(式2)∑MC(F)=0N2L3+f2L5+M2-F2L3-G2L2-F1L4-G1X+M1=0第一步的實現(xiàn)與樓梯臺階的高度、機器人關(guān)節(jié)臂的長度和重心位置、機器人中間主體長度和重心位置、履帶驅(qū)動輪半徑、關(guān)節(jié)臂的驅(qū)動力矩以及接觸面性質(zhì)有關(guān)。關(guān)節(jié)臂的驅(qū)動力矩越大,接觸面越粗糙,機器人就越容易實現(xiàn)第一步。在機器人質(zhì)量不變的情況下,機器人中間主體的加長、機器人整體重心位置向C點的靠近以及履帶驅(qū)動輪半徑變大,都有利于第一步的實現(xiàn)。在這些因素中,關(guān)節(jié)臂的長度變化對第一步的影響最復(fù)雜。在其它因素都不變的情況下,設(shè)關(guān)節(jié)臂的驅(qū)動力矩為M,則近似有:

由上式可知，必然會有一個合適的關(guān)節(jié)臂長L1使得N2L3最大，使機器人更容易實現(xiàn)第一步，把機器人抬離地面是成功攀爬樓梯的基礎(chǔ)，而第二步，使機器人的重心越過臺階面才是成功的關(guān)鍵。以機器人中間主體后輪的軸心O為原點，建立笛卡爾坐標(biāo)系，機器人的重心在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（X0，Y0）,后輪半徑R，則機器人重心越過臺階面的幾何條件可近似為：翻越的幾何條件機器人重心的位置與機器人主體履帶輪的半徑,是影響機器人能否翻越臺階的主要因素,減小機器人主體履帶輪的半徑和降低、前移機器人重心都有利于機器人翻越臺階。機器人攀爬樓梯的第二個環(huán)節(jié)的實現(xiàn)主要與機器人的長度有關(guān)。設(shè)L6為機器人中間主體有效接地長度；T為臺階樓梯寬度,只有滿足如下條件,機器人才可以實現(xiàn)連續(xù)攀爬。機器人長度總結(jié)綜上所述,以上公式即為具有前關(guān)節(jié)臂履帶式移動機器人可連續(xù)攀爬樓梯的必要條件。通過分析可知,機器人重心位置、機器人履帶驅(qū)動輪半徑及