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履带机器人越障能力优化

刘满禄;王亚翔;张俊俊;张华

【摘要】为提高大负载双履带式机器人越障性能,研究了一种搭载重型机械臂的双

履带式底盘结构侦查机器人.拥有机械臂的双履带式底盘结构机器人为提高越障能

力,可以通过利用改变机械臂姿态来优化越障性能.通过理论计算和仿真分析,得出了

不同姿态履带机器人越障过程中所需转矩,及越障后地面对负重轮的冲击力,得出了

履带机器人最优的越障姿态.本研究对其他双履带式底盘结构机器人提高越障性能

和优化越障效果提供了重要的依据.

【期刊名称】《制造业自动化》

【年(卷),期】2018(040)005

【总页数】5页(P24-27,76)

【关键词】履带机器人;越障能力;仿真分析;Recurdyn

【作者】刘满禄;王亚翔;张俊俊;张华

【作者单位】西南科技大学特殊环境机器人技术四川省重点实验室,绵阳621010;

西南科技大学特殊环境机器人技术四川省重点实验室,绵阳621010;西南科技大学

特殊环境机器人技术四川省重点实验室,绵阳621010;西南科技大学特殊环境机器

人技术四川省重点实验室,绵阳621010

【正文语种】中文

【中图分类】TH12

0引言

在人类认识世界和探索世界的过程中，存在许多无法到达或危险的特殊场合，而随

着机器人技术的不断进步，机器人越来越多地被应用到特殊极限作业环境中，机器

人技术可望从根本上改变特殊作业环境下的生产作业方式[1]。

由于履带式较轮式、腿式、复合式机器人有很多移动和越障上的优势，因此履带底

盘常常用于危险环境遥操作机器人中。而危险环境遥操作机器人通常会搭载上端作

业设备，例如机械臂等。由于上端作业设备姿态的改变会改变履带机器人的质心位

置，使履带底盘更加便于翻越障碍物，通常可以通过改变搭载的作业设备的姿态来

优化越障能力[2]。但是，改变质心的同时，越障后的冲击振动也会给履带底盘及

上端作业设备带来负面影响。如果不限制上端作业设备姿态改变带来的这种冲击，

会给履带底盘带来一定的损失，同时减少遥操作机器人其寿命[3～5]。当上层设备

为机械臂时，需要利用机械臂改变姿态优化越障能力，同时也需要将越障后对履带

底盘的冲击振动影响降低[6,7]。文章根据自行设计制作的履带式机器人地盘为模

型，利用Recurdyn软件的Track(LM)工具建立移动平台的虚拟样机模型并使用

Recurdyn的仿真、分析功能，研究履带机器人在越障情况下机械臂姿态对越障能

力的影响和改变机械臂姿态对底盘的冲击振动影响。

1履带机器人结构

履带机器人机构如图1所示，主要结构由气体检测装置、履带移动式底盘、控制

箱和三自由度机械臂组成。由于工作需要，遥操作履带机器人所搭载的气体检测装

置可以在危险环境下检测气体、温度等参数，三自由度机械臂可以实现全方位移动，

以及上搭载摄像机可以方便遥操作以及探查环境。履带式移动底盘需要在复杂工作

环境中工作，并要求进行越障以及爬楼梯，因此履带底盘结构设计中设计了履带前

角，方便履带机器人进行越障。

图1履带机器人结构图

2机械臂姿态对机器人越障性影响

由于机械臂可以通过改变姿态而改变履带机器人整体的质心来改善履带机器人的越

障或爬楼梯性能，某些姿态对越障和爬楼梯起优化作用，但是在这些过程产生的碰

撞冲击也同时会对这些姿态下的底盘和机械臂产生较大的影响。

假设履带机器人以匀速v进行越障，且越障过程中履带不脱离障碍物，履带机器

人进行攀爬障碍物时受力如图2所示。

图2履带受力分析

履带接触台阶受力如图2(a)所示，不滑移的条件为[8,9]：

式中：u为履带与地面摩擦系数；β为障碍物斜度；fT、NT为履带在机器人坐标

系中的等效牵引力和支撑力；fT、NT为履带在世界坐标系中的等效牵引力和支

撑力。

履带越障过程Ⅰ时受力如图2(b)所示，平衡条件为：

由式(1)、式(2)可以得出：

履带翻越障碍物阶段Ⅱ如图2(c)所示，平衡条件为：

可以得出：

式中：G为履带机器人重力；N1为后支撑轮地面支撑力；N2为障碍物对履带支

撑力；f1为地面对履带摩擦力；f2为障碍物对履带摩擦力；L为履带接地长度；

L0为质心与主动轮转轴中心距离；L1、L2分别为地面支撑力和障碍物对履带支撑

力与主动轮转轴中心的垂直距离；S1、S2分别为地面支撑力和障碍物对履带支撑

力与主动轮转轴中心的水平距离；α为履带前角大小；β为履带与地面夹角；H为

障碍物高度；θ为履带后角大小。

当履带机器人前角大小α