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新型多功能越障机器人设计与功能仿真

陶俊杰;臧红彬;蔡勇

【摘要】设计了一种具有平面内3自由度全方位移动,并且能够被动自适应越过轮

子直径1.5倍垂直高度障碍的机器人.该机器人采用六个独立驱动轮控制.车身上采

用四个Mecanum驱动轮矩形布置,使越障机器人具有平面内的全方位移动功能.前、

后轮采用全向轮,使其能够在原地转弯和横向移动时候与地面保持滚动状态,减少轮

子滑动摩擦.运用MATLAB软件对其前轮子中心坐标编程,找出其运动轨迹,并优化

越障四连杆设计尺寸大小.最后对整个机器人系统在平面内的直行、横行、原地转

弯、爬楼梯以及起伏路面运动等功能进行了虚拟样机系统仿真验证.仿真结果表明:

该越障机器人机构设计合理,具有全方位移动和越障功能强的特点.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2016(000)001

【总页数】4页(P228-231)

【关键词】越障机器人;全方位移动;MATLAB仿真;虚拟样机仿真

【作者】陶俊杰;臧红彬;蔡勇

【作者单位】西南科技大学制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室,四川绵

阳621010;西南科技大学制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室,四川绵阳

621010;西南科技大学制造过程测试技术省部共建教育部重点实验室,四川绵阳

621010

【正文语种】中文

【中图分类】TH13;TP242

非结构环境中的多功能全自主移动机器人技术一直是机器人研究中的热点问题之一

[1]。美国NASA研制“好奇号”火星探测车,从整个着陆到机器人设计都充满了

创意,代表了移动机器人发展的最高技术,受到了全世界的瞩目[2-3]。瑞士联邦

学院研发的六轮腿机器人Shrimp,该机器人前臂装有弹簧装置可以满足不同地形

的行走要求,并且前臂还需要与地面保持接触以满足越障的要求,该机器人6个

车轮全部为独立驱动[4-5]。中国“玉兔号”月球车采用“六轮独立驱动,四轮独

立转向”的方案,具备20度爬坡、20厘米越障能力[6]。中国科技大学研发了具

有高机动性越障能力的六轮腿式移动机器人,该种机器人可以跨越高度约为1.5倍

车轮半径的障碍物[7]。对国内外研究越障机器人的成果进行了研究,设计一款新

型多功能越障机器人。机器人的越障机构设计充分利用软件MATLAB和ADAMS

联合仿真,并用Pro/E对其建立完整三维模型。最后ADAMS虚拟样机技术对机

器人在平面内的直行、横行、原地转弯和越障爬坡能力进行仿真分析。

2.1结构设计

设计的新型多功能越障机器人整体三维结构模型,如图1所示。其规格为:长

1050mm,宽400mm,高450mm。

越障机器人采用六轮独立驱动,前后轮为全向轮。全向轮的大轮子仅在直行和越障

中作为主动驱动轮子使用。如图2所示,中间爬升机构为四个Mecanum驱动轮

矩形布置,通过控制Mecanum轮的转动和转向,能够合成横向移动和原地旋转

的移动方式。并且在实现这两种运动方式的过程中,前、后轮的大轮驱动电机停止

工作,只是前、后轮的大轮上的小轮毂起到被动摩擦转动。这可以将此时前、后轮

与地面的摩擦由普通轮子产生的滑动摩擦转为滚动摩擦,从而将系统功率和轮子磨

损损失降到最小。越障机构、爬升机构和稳定机构各杆之间以及与它们与车体之间

的连接都是通过转动副约束。

2.2越障机构运动学分析

为了实现越障机器人越障能力的最大化,必须在设计时对越障机构进行理论分析和

相关尺寸大小优化。越障机构简化分析其力学模型,如图3所示。

把坐标原点设定在b杆和c杆铰接中心,水平向右方向为X轴正方向,竖直向上

为Y轴正方向。为了方便后面理论分析计算,把最长的斜杆按照两个铰接点和轮

子中心关系分成两个长度尺寸e和f。各个杆的长度和相关角度,如图3(b)所

示。

由几何分析可以得以下参数:

从上面7个方程中得出轮子中心P(x,y)的坐标方程包含有b、c、d、e、f和

φ六个未知量[7]。六个未知量的尺寸大小配合,将影响P(x,y)点运动轨迹的

形状,即影响轮子越障能力大小。

根据越障机器人设计要求尺寸,如何正确的选取这六个未知量,得到前轮子中心最

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