管内步伐式行走机器人运动模型地研究.pdfVIP

管内步伐式行走机器人运动模型的研究 郑利红 史贵柱 李元宗 武利生 (太原理工大学，太原030024) 摘要：本文通过分析管内步伐式行走机器人的运动模型，找出控制电机的角速度和角加速 度与机嚣人的带负载能力之间的关系式，建立了机器人的动力学模型。 关t词：管内步伐式行走机器人，动力学模型，运动模型 1引言 管内步伐式行走机器人L1 o采用对称式结构，前后两部分用万向节铰链连接，模拟人在井筒中四肢 扶壁上下运动的运动步伐式行走，牵引力大，机构运行灵活，能自动转弯行走。在管道的清理、维修、检 测等方面有很大的应用前景。 在参考文献[1]中，我们已对该机器人的机构，运动原理进行了分析、阐述，在实际运行中，不仅需要 静态的分析，还需要对该机器人进行动态分析。考虑到管内步伐式行走机器人在运动、停止等有加速度 的过程对机器人的牵引力、支撑力等参数的影响，本文主要讨论该机器人的动力学模型，对机器人的运 动及动力作进一步的分析，从而在选择、配置控制系统时合理、可靠。 2管内步伐式行走机器人的动力学模型 管内步伐式行走机器人的运动模型如图l所示。机器人向前运动时，杆AO做定轴转动，杆AB做 平面运动，螺母C及机器人身躯沿轴线做平动，电机转子连同丝杠一起除跟随机器人做沿轴线的平动 外，还做绕轴线的定轴旋转运动。 我们可知该机器人的总动能为： (1) 式中，‰，JM，J分别为杆AO绕定轴o，杆AB绕质心M，电 机转子连同丝杠的转动惯量；alAO，O)AB，m分别为杆OA，杆AB 及电机的角速度；mAB，mc，M分别为杆AB，螺母C及机器人 的质量；ud，vc，％分别为杆AB的质心M，螺母c移动的速 j 度及机器人的移动速度。 l 根据速度投影定理及运动机构的几何关系可得： Vb=fnp=工艺Ⅲ (2) l ； 式中，lt为电机的转速，P为丝杠的螺距，n为杆AB与铅垂线 { 的夹角。 工的大小为： ，∞一aBE M o。 b BE刮…+者等器 图1机器人运动模型 对于该机器人，有： 管内步伐式行走机器人运动模型的研究 147 ^l=75，^3=96，,1 2=29，p=3，6=29，c=25(单位ITlm) 代人上面各式可以得出’，日与m的关系曲线，如 图2所示。同样，其他杆件的速度也可求出。 Vc=1吒+pn ％ 帅2面 帅2万高盖 由图1中的运动关系可知： Xo+譬=btana 式中，j，0为螺母C的初始位置，口为电机转过的角位 移。 对上式两边求导可知： 40．00 20．oO o．00 2000 d0．00 d口 D∞s2a 五2’；产 图2机器人速度与电机角速度的关系曲线 亟一／)