新型轮履复合式移动底盘设计与分析_侍才洪

第36卷 第4期 2014-04(上) 【15】新型轮履复合式移动底盘 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 Designandanalysisofanewkindwheel-trackedmobilechassis侍才洪1,2，刘宗豪2,3，康少华1，李春卉1，黄林1SHICai-hong1,2，LIUZong-hao2,3，KANGShao-hua1，LIChun-hui1，HUANGLin1（1.中国人民解放军军事交通学院军事物流系，天津300161；2.天津理工大学机械工程学院，天津300384；3.军事医学科学院卫生装备研究所，天津300161）摘要：本文提出了一种新型的轮履复合式移动底盘的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，该移动底盘基于一种新型的轮履复合式变体轮技术。完成了对机器人遥控/半自主的嵌入式控制系统的设计，实现了实时性高、可靠性好的控制要求。结合几种典型障碍详细分析了机器人的越障过程和特性，分析表明，该新型轮履复合式移动底盘具有很强的环境适应能力和较高的越障性能。关键词：轮履复合；变体轮；越障；半自主控制模式中图分类号：TH122文献标识码：B文章编号：1009-0134(2014)04(上)-0015-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2014.04(上).06收稿日期：2013-12-17基金项目：军队重点项目（BS312C002）；军事医学科学院院创新基金（2012CXJJ007）作者简介：侍才洪（1982-），男，江苏盐城人，助理研究员，博士后，研究方向为机械电子工程和智能机器人。0引言近年来，我国自然灾害频繁发生，如2008年的汶川地震和刚刚发生的雅安地震，地震现场环境异常复杂、危险，移动机器人是机器人学中的一个重要分支[1]，将机器人应用到救援工作中不仅会减少救援人员的伤亡，而且能提高救援的效率和震后人员的存活率。其所面临的环境大多是自然环境下的复杂、未知、多变的非结构化环境，机器人在执行任务遇到障碍时为完成任务必须要克服并越过障碍，因此，高的越障能力是救援机器人在非结构环境下作业所必备的功能。从移动机器人行走机构的发展过程来看，轮式移动机构可以达到较高的移动速度，且具有结构简单、控制方便、移动灵活、互换性好及效率高等优点，但是轮式的对地面的依赖性较强，不适于越障，如壕沟、台阶、楼梯等障碍[2]。较经典的为美国JPL的四轮机器人Nomad[3]和瑞士联邦工学院EPFL的移动机器人Shrimp[4]，履带式行走机构地面支撑面积大，接地比压小，牵引附着性、越野以及越障性能较轮式好，如世界著名的两节履带式反恐机器人Packbot[5]；但效率较低，结构复杂，维护和保养困难，且成本能耗等较高。综合考虑轮式、履带式的优缺点，后继又研究开发了复合式的移动机构，如美国Remotec公司研制的关节轮式Andros系列机器人[6]，以及国内的由沈阳自动化研究所研制的关节履带式“灵晰-B”型排爆机器人[7]和CLIMBER[8]。通过以上分析，本文提出了一种基于变体轮结构的新型轮履复合式移动底盘，为机器人高机动性和高通过性难以兼容的难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 提供了一种可能。由于移动底盘要深入到非结构化的环境下作业，所以控制系统采用半自主远程遥控的工作方式[9]，运用3G无线网络图像传输技术通过远程计算机操控移动底盘，使得移动底盘的控制具有很高的实用性及实时性。采用嵌入式多任务实时控制系统可提高控制的实时性，且自身具有可裁剪性、可移植性以及较高的稳定性。1机械结构设计1.1总体设计流程根据轮履复合移动底盘所应用的环境，经分析与综合，得到其整体技术参数，如图1所示采用自顶向下的设计思路。其中，变体轮的结构设计与分析是本移动底盘的关键，在操作控制方面要有友好的人机交互界面。设计完成后要对重要部件的强度以及布局的合理性进行校核与分析，对不合理处进行修改，如此反复，并最终得到合理的原理样机。1.2结构设计变体轮是本文所设计轮履复合式移动底盘的重要部件，所谓轮履复合的功能就是通过变体轮自身的“变形”实现的，而变体轮的形变靠的是可重构履带完成的，可重构履带由若干履带片组【16】 第36卷 第4期 2014-04(上)成，履带片本体嵌入弹性部件构成一可变空间，并由安装在轮体内部的撑开机构将可重构履带撑开为三角形状，此撑开机构采用液压驱动方式，液压驱动不仅驱动力大，而且控制定位精准、快速、响应时间短。图2为该新型变体轮三维模型示意图，主要由如图内部动力传递系统和一条可重构的履带组成，履带的主要传力方式是靠履带内部所挂胶层与齿圈表层的摩擦，当履带所需驱动力过大时，即跨越高的障碍或履带出现冲击时，辅助传动销就会间歇性的与驱动片轮啮合，从而增大履带与驱动片轮之间的“摩擦”。采用间歇性啮合传力方式是为了防止履带在收回与展开过程中由于变节距的原因而导致的过啮合和错啮合现象。图2新型变体轮三维结构模型示意图如图3所示为本文所设计移动底盘的结构示意图，主要由四个新型变体轮单元、三杆机械臂及车体单元组成。图3（a）为其轮式形式，移动底盘采用四轮独驱的驱动模式，四个变体轮对称分布，每个轮体由单独电机驱动，四个轮体均有动力，地面附着力最大，有利于越障，且动力性能好，移动底盘通过电机的差速进行转向；车体单元主要包括电池模块、液压模块以及控制系统模块。图3（b）为履带式形式，它是通过变体轮内部的伸展机制将可重构履带撑开为三角形，此处的变体轮并非通过更换轮体或额外增加其它结构而实现，而是由可重构履带自身的特殊结构决定。其次，顶部装有三杆联动的机械伸展臂，且最上杆头部安装摄像头，机械臂单元在移动底盘执行救援侦查等任务时起着至关重要的作用。（a）轮型（b）三角履带型图3新型轮履复合移动底盘三维模型示意图1.3基于变体轮的新型轮履复合式移动底盘的特点变体轮可重构履带用铝合金制得，外层包裹橡胶，与钢制履带相比，没有与地面接触产生的噪声[10]，文献[10]中为可更换的三角橡胶履带轮，在遇到障碍时需花费十分钟以上时间来进行更换，严重浪费时间，而本文变体轮是靠内部撑开机构将可变性履带撑开为三角形，用时不足30s；在攀爬斜坡时，由于变体轮能绕机器人本体转动，所以其与地面的接触面积较大，牵引附着性能好，而整体式履带爬坡时，履带就会支撑在斜面与平面之间，机器人被架空[10]，不利于爬坡，且转向性能要比整体式履带灵活，总之，基于变体轮的新型轮履复合式移动底盘不但具有整体式履带的众多优点，而且还克服了整体式履带车辆的一些不足，凸显出了较大的优势。2控制系统设计当机器人视觉技术没有得到完美解决之前，移动机器人不可能完全自主地完成任务[11]，因此，遥控/半自主的方式是目前应用最广也是最实用的控制方式，遥控/半自主的控制方式就是操控人员通过远程遥控实现对机器人的任务和行为规图1移动底盘系统整体设计流程第36卷 第4期 2014-04(上) 【17】划、路径设定、运动模式选择等，且在局部范围能够实现自主运动。移动底盘整体控制系统框图如图4所示。操作者上位操作机移动式总控平台无线接收装置无线路由ARM9运动规划单元PLCS7—200EM231CAN总线驱动轮电机一驱动轮电机四PMAC2A/PC104机械臂电机一机械臂电机三ARM9传感器数据采集单元处理模块传感器（融合）GPS机载电池检测模块中间继电器按钮开关指示灯温度传感器、主油路/控制电路/压力传感器等环境机器人视觉信息EternetEternetDSPRS232RS485图4控制系统原理框图机载软件平台的嵌入式操作系统从在商业领域取得巨大成功的两个突出代表VxWorks和QNX，到开源并广泛传播的Linux，以及各个公司所推出的WINCE等，再到由个人之力发展至今的µC/OS，实时操作系统µC/OS与其他实时操作系统相比，µC/OS操作系统具有可裁剪性好、实时性强以及可移植性高等优点，因此，采用µC/OS实时操作系统。移动式总控平台软件操作系统必须具备友好的人机交互界面，为了高效方便的对移动底盘运动控制，采用应用性强的Windows操作系统，简单易操作，且其软件资源较丰富。移动式总控平台主要由远程控制计算机、无线网卡、无线路由、调制解调等装置组成，该平台由操控人员携带，为人机交互的硬件设施。总控平台通过无线串口通信模块发送指令至上位操作机，然后经CAN总线、RS485等通讯接口传输给下位机，从而实现移动底盘的运动控制。嵌入式控制系统采用基于串行总线的嵌入式系统分部方案，将控制硬件全部安置于机器人内部，主要由运动控制单元和多传感器数据采集单元组成。运动控制单元主要有运动规划单元、移动底盘驱动轮电机控制单元、变体轮伸展臂液压控制单元、三杆机械臂电机控制单元组成。运动规划单元主要将总控平台的规划任务等指令解析为电机的指令，芯片采用Atmel公司的ARM9—AT91SAM9260，并扩展了Ethernet、CAN、以及RS485等通讯接口；驱动轮的四个电机的控制采用基于CAN总线的分布式DSP控制策略；三杆机械臂的电机控制由DeltaTau公司的PMAC2/PC104四轴运动控制器实现；变体轮液压缸的控制采用通用性强的可编程控制器（PLC），系统中用SIMATICS7—200PLC控制器和EM231等扩展模块，同时由RS485实现PLC控制器与ARM9运动规划单元的通讯。多传感器信息融合采集模块采用了基于AT91SAM9260的数据采集单元，扩展Ethernet、RS232和RS485总线以及A/D采集模块，分别采集GPS、红外、超声、生命探测仪等多传感器信号及机载电源信息。3越障运动分析本文新型轮履复合式移动底盘是基于可重构变体轮技术所设计的，其运动特性主要体现在越障能力上，移动底盘由四组变体轮组成，每组变体轮有两个伸展臂，每个伸展臂由单独液压缸独立驱动，因此，整个机器人轮履复合功能的实现是靠这8个液压缸实现的，且这8个液压缸独立驱动，针对不同的地形和越障需要，控制不同的变体轮及不同的液压缸组合成若干种不同的运动模式，从而实现越障。移动底盘所面临的环境是未知的且不可预测，因此将地形划分为以下三类：台阶、壕沟和斜坡。下面将针对以上三种典型地面对机器人越障及运动特性进行分析。3.1翻越台阶如图5所示为移动底盘翻越台阶过程原理图，在平坦路面行走时以轮式快速行进，当遇到台阶障碍时，如图5（b），前轮前伸展臂搭在台阶左棱上，后伸展臂展开支撑地面以提供前轮越障的动力，这样履带就构建了地面与台阶间的斜面，移动底盘就会顺势爬上去，下台阶时如图5（d），前伸展臂先着地，同时后伸展臂收回，后轮前伸展臂展开搭在台阶左棱上，如图5（e），后伸展臂展开支撑在地面上支撑整个机器人向前运动，后轮翻越台阶的过程与前轮相似，当前轮通过台阶的瞬时要与后轮联合作用，达到整个移动底盘翻越台阶的目的。（a）（b）（c）（d）【18】 第36卷 第4期 2014-04(上)（e）（f）（g）（h）图5移动底盘翻越台阶3.2攀爬斜坡如图6所示为移动底盘攀爬斜坡过程示意图，当遇到的斜面坡度较小时，完全可以以轮式形式爬越过去；当遇到的斜面坡度较大时，与翻越台阶障碍一样，到达斜坡底端时，移动底盘的前轮前伸展臂搭在斜坡上，提高其与地面的附着能力，后伸展臂展开支撑地面，同时，为了提高移动底盘攀爬斜面的通过性以及简化液压缸的动作顺序，将移动底盘后轮伸展臂与前轮伸展臂的动作顺序同时驱动（图6（b）、6（c）和6（d）），当将要到达斜面顶端时，快速转换前轮前伸展臂的角度，使其适应路面的趋势，增大移动底盘与地面的接触面积，提高其通过性（图6（e）和6（f））。(a)(b)(c)(d)(e)(f)图6移动底盘攀爬斜坡3.3跨越壕沟移动底盘跨越壕沟相对较前两种障碍简单，只要保证其质心落在壕沟左侧边界右侧之前，前轮前伸展臂已经搭在壕沟右侧边界上即可，如图7所示，当移动底盘遇到壕沟时，将前后轮伸展臂全部展开，以降低机器人跨越壕沟障碍时伸展臂控制的复杂度及提高整个移动底盘质心移动的平稳性。假设移动底盘质心在车体几何中心，其跨越的最大壕沟宽度:B=Bmax≤min（a，b）其中a为变体轮展开的水平长度，b为底盘长度的1/2。（a）（b）图7移动底盘跨越壕沟综上分析，移动底盘工作在非结构化环境下，所面临的环境是未知的，任何障碍都可能遇到，有可能是单一障碍，但更多的会是各种复杂障碍的融合，当移动底盘在跨越这些障碍时，只有靠前后轮前后伸展臂的联合作用移动底盘才能顺利通过，因此要求各个变体轮的液压缸必须独立可控，以实现移动底盘变体轮间伸展臂的任意模式的组合。4结论本文提出了一种适用于非结构化环境下的新型轮履复合式移动底盘设计方案，为轮履复合式行走机构提供了一种新的思路，它不仅克服了单一轮式和履带式的低通过性和低机动性等缺陷，而且还避免了靠增加关节履带的数量来提高其越障性而带来的能耗高、平坦路面移动速度低的缺点。实现了机器人遥控/半自主的嵌入式控制系统的设计，另一方面，重点对移动底盘爬越典型障碍进行了越障动作规划和分析，分析证明，该新型轮履复合式移动底盘有较强的环境适应能力和高的越障性能，在地震灾区勘察救援有广阔的应用前景。参考文献：[1]徐国华,谭民.移动机器人的发展现状及其趋势[J].机器人技术与应用,2001(3):7-14.[2]朱磊磊,陈军.轮式移动机器人研究综述[J].机床与液压,2009,37(8):242-246.[3]E.Rollins,J.Luntz，A.Foessel,etal.Nomad:aDemonstrationoftheTransformingChassis.Proceedingsofthe1998IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation,Leuven,Belgium,May1998:679-684.[4]EstierT.,CransazY,MerminodB,etal.AninnovativeSpaceRoverwithExtendedClimbingAbilities.ProceedingsofspaceandRobotics,Albuquerque,USA,February27-March2,2000:781-786.[5]YamauchiB.Packbot:aWersatilePlatformforMilitary第36卷 第4期 2014-04(上) 【19】Robotics[C].InUnmannedGroundVehicleTechnologyVI.ProceedingsofSPIE,2004,05(422):228-237.[6]TulenkoJS.DevelopmentofaRadiationResistantAndrosRobotforOperationinSevereEnvironments[C].In:Proc.ANS6thTopicalMeetingonRoboticsandRemoteSystems(5–10February1995),165–168.[7]王耀武.中国产排爆机器人正式服役[J].世界航空航天博览,2004:23-24.[8]王挺,王越超,赵忆文.多机构复合智能移动机器人的研制[J].机器人,2004,26(4):289-294.[9]段星光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方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 模型简化的不足。针对曲轴运动系统多体模型，得到系统更接近真实运行情况的运动学和动力学特性，并在较精确动态边界条件的基础上，为各零件进一步的动态响应分析提供了前提，也为整机的优化设计和故障诊断提供了参考依据。参考文献：[1]李小娟.Pro/E与ADAMS联合建模方法的研究[J].装备制造技术,2008(12):3l-33.[2]徐方舟,魏小辉,张明,等.基于ADAMS的齿轮齿条刚柔耦合啮合分析[J].机械设计与制造,2012(7):200-202.[3]郑建荣.ADAMS—虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2006.[4]吕颢,任挪颖,颜俊等.基于ANSYS与ADAMS的柔性体联合仿真[J].系统仿真学报,2008,20(17):4501-4504.[5]彭礼辉,李光.ADAMS和ANSYS对机构的联合仿真分析[J].湖南工业大学学报,2012,26(2):43-48.【上接第8页】