越障分析

关键词： 农机化 农业

越障分析（精选三篇）

越障分析 篇1

我国农业劳动力结构性短缺的矛盾日益突出, 迫切需要用机械化来改造传统农业生产。应对气候异常、各种农业自然灾害和“三夏”“三秋”抢收抢种, 离不开农业机械。目前, 我国农机化进程发展迅速, 但丘陵山区农机化程度远远落后于平原地区, 主要原因是丘陵山区崎岖不平、坡度较大, 农机化难以在复杂多变的丘陵山区作业[1 - 5]。行走机构作为农业机械的核心部件直接决定了其在田间的作业能力, 国内现有的农业机械行走机构无外乎轮式和履带式, 典型代表为广联生产的农用收割机、喷雾机等。轮式行走机构虽有较高的机动性, 但农用机械大多在土路、田间等崎岖不平路面上作业, 一些松软、泥泞田野的应用受到了限制。履带式的行走机构虽能提高农用机械的通过性[6 - 7], 扩展了农业机械的作业地形; 但其机动性较低, 在平坦路面的移动速度低, 有的甚至需要借助其他运输车辆将其拖至作业田间, 严重浪费了资源、 降低了农用机械的效率。因此, 针对现有农用机械车辆行走机构所存在的不足提出了一种可重构新型变体轮行走机构, 将该变体轮安装于农用车辆上 ( 图1所示为变体轮应用于农用车辆的原理示意图) , 变体轮应用于现有的农用车辆底盘上, 其它结构不变。当在平坦无障碍路面行驶时保持轮式状态快速前进, 在遇到障碍或在泥泞、易沉陷和崎岖不平的田间路面行驶时通过安装于轮体内部的伸展机构快速将可重构履带伸展为三角形状顺利通过障碍。因此, 该新型行走机构 ( 变体轮) 在农用车辆上具有广阔的应用前景。

1整体结构设计与分析

1. 1变体轮工作原理

如上所叙, 当农用车辆遇到障碍 ( 为方便, 将泥泞、易沉陷和崎岖不平的田间路面统称为障碍, 下同) 时, 变体轮由轮形展开为三角形状顺利越障。变体轮在轮式和履带式之间的转换靠的是轮体内部的伸展机构将安装于该轮体上的一条可重构弹性履带展开和收回, 如图2所示为变体轮的工作原理示意图。液压缸驱动伸展臂连杆和弹簧部件从而推动伸展臂带动伸展辅助轮展开与收回, 弹簧部件在纵向和横向能够产生较大变形。当农用车辆越障受到颠簸作用时对整个车辆起减震缓冲的作用; 另一方面为伸展臂收回提供额外压力, 方便伸展臂快速收回。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。

农用车辆在泥沙、碎石等田间的环境下作业, 泥沙和碎石难免会进入轮体内部。如图3所示为变体轮自清理内部碎石示意图。左图, 大块的泥沙和碎石进入轮体内部, 由于田间的碎石硬度较低, 因此在辅助支重轮滚动及两伸展臂左右摆动的条件下, 大块的碎石就会被挤压为小碎块; 右图小碎块就会由履带间的缝隙掉落出去, 变体轮达到自清理内部泥土碎石的目的。

1. 2可重构履带的设计

可重构弹性履带式变体轮是实现轮履转换的核心部件之一, 图4为可重构弹性履带工作原理示意图。 图4上图为变体轮圆形状态, 弹簧将传动销牢牢地顶在空间A的右侧, 当需要展开为三角形 ( 即履带形式) 时, 借助图2中所示的伸展机构挤压履带节本体, 传动销压缩弹簧; 图4下图所示, 每节履带都会伸长 △L, 整条履带就会变长, 实现轮式到履式的转换。当切换为轮式时只需将液压缸收回, 履带节靠弹簧的弹力将履带顶回图4上图所示的位置, 如此轮式和履式的互换。如果变体轮内部嵌入了小碎石等杂物, 也会随着变体轮三维展开与收回从履带节之间的间隙掉落出去。

1. 3变体轮整体结构模型

如图5所示为变体轮三维结构模型示意图。

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完成。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地与驱动片轮啮合, 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。

1. 4基于变体轮的农用车辆的特点

变体轮可重构弹性履带用铝合金制得, 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[8]。文献[8]中为可更换的三角橡胶履带轮, 在遇到障碍时需花费10min以上时间来进行更换, 严重浪费时间; 而本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, 由于变体轮能绕农用车辆底盘本体转动, 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[8], 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农用车辆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变体轮越障机理分析

2. 1典型障碍划分

基于变体轮的新型农用机械车辆与其它农用车辆相比的优势在于其较强的越障能力、高机动性和高通过性的兼容, 以及小的接地比压。农用机械车辆所面临的环境大多是非结构化的路面, 包括天然形成的泥泞、易沉陷和崎岖不平的田间地面, 以及人工修建的坡面、凸台等人为地面。影响和阻碍农用机械车辆正常行进的地形统称为障碍地形, 这些障碍地形的具体几何形状千姿百态, 如果逐一分析显然很复杂且很难得到有效的分析结果。因此, 为方便分析和描述, 将农用机械车辆所面临的障碍简化为壕沟类障碍 ( 包括凸台和洼沟障碍) 和坡面障碍[9 - 10]。

2. 2跨越壕沟类障碍

壕沟类障碍为洼坑、沟壑等障碍的统称, 其几何形状各不相同。为便于分析, 将壕沟等简化为形状尺寸规则的障碍。图6所示为简化的农用车辆跨越沟壑的过程示意图。农用车辆所能跨越沟壑的最大宽度取决于车辆的长度以及变体轮的伸展长度。跨越沟壑时, 要保证当农用车辆质心M在越过沟壑左边界之前, 车辆前端变体轮要搭在沟壑的右侧边界; 当农用车辆后端变体轮脱离沟壑左边界时, 车辆质心至少要到达沟壑的右边界, 否则农用车辆会发生倾翻而坠入沟壑中。假设农用车辆的质心在其几何形心, 那么农用车辆所能跨越沟壑的最大宽度为

其中, L为农用机械车辆的长度, c为变体轮伸展臂超出车体端面的长度。

当沟壑的宽度B过大时, 农用车辆能否跨越此类障碍决定于沟壑的高度, 即由沟壑障碍演变为凸台或楼梯类障碍[11]。图7所示为简化的农用车辆翻越凸台类障碍的过程示意图。其前轮前伸展臂搭在凸台左棱上, 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凸台间的斜面, 农用车辆就会顺势爬上去, 如图7所示。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凸台左棱上, 后伸展臂展开支撑在地面上支撑整个农用车辆向前运动, 后轮翻越凸台的过程与前轮相似。以农用车辆前变体轮翻越凸台障碍为例, 图8所示为农用车辆翻越凸台障碍时的前轮运动学分析示意图。以前轮后辅助伸展辅助轮轮心为坐标原点, 以两伸展辅助轮轮心连线为x轴及垂直于x轴向上的方向为y轴建立坐标系。当农用车辆翻越凸台向上攀爬时前轮质心慢慢抬高, 变体轮仰角 α 逐渐增大, 如果 α 继续增大超过90°, 此时前轮质心M还没超过凸台左边界, 那么农用车辆会发生倾翻。所以, 农用车辆在跨越凸台障碍不发生倾翻的条件是变体轮仰角 α≤90°, 变体轮的质心已跨过凸台的左边界。以临界状态为例说明, 由几何关系可得

其中, R为伸展辅助轮半径, ( a, b) 为农用车辆前轮质心坐标, α 为变体轮仰角, H为凸台高度。由公式 ( 1) 可得, 当确定了a, b, R后, 且满足不发生倾翻的条件: 凸台高度H为 α 的函数, 而且仰角 α 在 ( 0, 0. 5π) 。为说明前轮质心的坐标对跨越凸台高度H的影响, 以a, b为参变量对其求偏导数

由式 ( 3) 、式 ( 4) 可得H在 α∈ ( 0, 0. 5π) 区间为关于a的增函数, 关于b的减函数。因此, 在设计变体轮时应尽量使其质心偏前、偏下, 以有利于其爬越凸台障碍。

对H求关于 α 的一次、二次偏导数

已知 α∈ ( 0, 0. 5π) , 由式 ( 6) 可得

所以H存在最大值, 即当时, H有最大值Hmax。Hmax即为当a, b, R确定时农用车辆所能跨越的最高凸台高度。

2. 3跨越坡面障碍

基于变体轮的新型轮履复合式农用车辆的爬坡性能是其最显著的性能之一。在坡面角度较小时, 变体轮无需展开即可上坡; 当坡面角度增大时需展开为履带形式爬坡, 为了确保农用车辆在爬坡过程中不发生倾翻, 必须保证其质心的铅垂线在前后变体轮前后伸展辅助轮轮心, 农用车辆攀爬最大的斜面坡度的临界状态为其质心的铅垂线恰好通过后轮伸展辅助轮的轮心。如图9所示, 以后轮伸展辅助轮的轮心为圆心建立沿斜面方向的坐标系, 农用车辆质心坐标为N ( e, d) , 坡面角度为 θ, 辅助轮半径R, 则有如下关系式

农用车辆在爬坡时, 除了受到静态稳定性的约束外, 由经典力学可知, 它还受到摩擦力因素的物理约束, 即农用车辆所受斜面的摩擦力应大于农用车辆沿斜面所受重力的分量, 设农用与斜面的摩擦因数为 μ, 所以

因此, 农用车辆所能攀爬的最大坡面角度为

农用车辆的d, e, R, μ 参数确定后, 其所能攀爬的最大坡面角度就随之确定。

3结论

该新型农用机械行走机构变体轮的设计方案具有自身可重构的特点, 通过自身快速变形达到轮履复合的目的, 克服了单一轮式或履式的缺点[12]。与其它传统的农用车辆相比, 基于变体轮的农用车辆有接地比压大、转向灵活、快速轮履复合以及机动性和通过性高度兼容等优点, 具有广阔的应用前景。通过对新型农用车辆所面临环境典型障碍的简要运动学分析, 得出了其能跨越最大壕沟的宽度、最高沟壑高度以及最大坡面角度, 为变体轮的设计以及未来变体轮在农用机械的应用提供理论依据。

摘要：介绍了一种新型的轮履复合农用机械行走机构—变体轮结构设计方案, 对组成变体轮的履带节单元的工作原理进行了详细的叙述, 使得传统农用车辆的行走机构有了新型可重构的特性。同时, 着重介绍了变体轮整体结构和轮履变形机理。将变体轮应用到农用机械上与其它单纯轮式或履带式的农用车辆进行对比, 凸显出了较大优势;划分了基于变体轮的农用车辆所面临的障碍地形 (沟壑类障碍以及坡面类障碍) , 分析了其最大的越障能力, 包括跨越最大壕沟的宽度、最高沟壑高度以及最大坡面角度, 为未来农用车辆变体轮的广泛应用提供了充分的理论方案和可行性分析。

关键词：农用机械,行走机构,变体轮,轮履复合,越障

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三轴差速式管道机器人越障能力分析 篇2

关键词：三轴差速式管道机器人,三轴差速理论,越障能力分析,力学分析

0 引言

管道机器人是一种在管道内部行走,并能携带多种传感器和操作机械的机器装置。它接收外界的主动控制或运行预先编好的程序,能够进行一系列管道作业,广泛应用于石油、化工、核工业、城建行业等工程管道的质量检测、探伤、故障诊断、焊接、管道维护、清洁等领域。

从管道机器人的出现至今,研究人员从未间断过对它的研究,陆续研制出了采用轮式、履带式、腿足式、步进式、蠕动式和蛇行式等驱动方式的管道机器人[1]。而对于大中型油气输送管线作业机器人来说,研究者多数采用全主动轮式驱动方式,这种驱动方式在直管中驱动效率高,牵引力充足稳定。但当机器人通过弯管时,由于各轮轮心曲率半径不同,使得某些驱动轮成了事实上的制动轮,这样不但降低了驱动力,而且因驱动轮间产生的寄生功率循环而加剧了载体内部的功耗和驱动部件的快速磨损。因此,国内外学者展开了对差动式管道机器人的研究[2,3,4,5],提出了单电机输入、具有三轴差速功能的机械自适应装置—三轴差速器,从而构建了三轴差速理论。

三轴差速理论能很好地解决机器人在过弯道时遇到的功耗问题,但还有更重要的问题尚未解决。由于管道机器人要独立地在管道中工作,工作环境恶劣:管道空间狭窄,长时间的输送将造成管道内壁湿滑,管道内壁腐蚀[6]形成凹坑、凸起等不规则地形,以及管径变化造成的台阶、管道损坏造成的沟槽等等。研究三轴差速式管道机器人越障性能很有必要,可切实提高管道机器人在恶劣的管道工作环境中的生存能力,这也是保证机器人能正常工作的基本前提。

本研究通过建立遇到障碍的机器人的力学模型,并以寻优的方法得到机器人主要参数的最优解,优化机构设计,可为机器人的设计提供有效的参数支持。

1 三轴差速理论

三轴差速轮系是一个3自由度的机构,由分布在空间的4个圆锥齿轮差速器按一定关系组合而成,其结构原理简图如图1所示。

该轮系由4个部分组成:如图1右侧部分所示,构件1~构件7组成主差速器1,构件19~构件23组成主差速器2,构件25~构件31组成主差速器3,构件6~构件11组成了分动器。3个主差速器在空间上均匀地分布。在主输入轴11的周围,整体结构在空间上完全对称。各锥形齿轮参数相同。主运动由轴11输入,转速为n0,在差速器中,ni为齿轮i的转速,Zi为齿轮i的齿数。由于轮系整体结构在空间上要求完全对称,故使Z6/Z11=2Z18/Z9=Z26/Z11。三轴差速轮系的运动关系方程式为:

从式(1)中可知三轴差速轮系特性,差速器的速度反馈权值等同,即各输出轴的输出转速n11、n22、n33和总输入转速n0的相对运动关系是平等的[7]。在结构上对称的差速轮系中,差速器的总输入与各分输出之间的数值关系由初级传动比确定。

2 越障能力分析

管道机器人属于特种机器人,其工作环境非常恶劣:管道空间狭窄,长时间的输送造成管道内壁湿滑,因管道内壁腐蚀形成凹坑、凸起,以及管径变化造成的台阶,管道损坏造成的沟槽等等。针对管道空间狭窄和管道内壁湿滑的情况,研究者可以采用减小机器人尺寸和增大车轮摩擦系数的方法。针对后面几种对管道机器人生存威胁较大的情况,本研究通过力学分析[8],以给出相应的理论依据,并设定管道直径d为310 mm。

2.16×3后轮驱动管道机器人越台能力

管道机器人在结构上是完全对称的,3个支撑腿在沿圆周方向上均匀分布,β为管道下半部分最靠近竖直线t-t的驱动轮伸展臂方向与竖直线t-t之间的夹角为机器人作业姿态角[9]。管道机器人在管道中纵面受力图如图2所示。将机器人主体看成质点O,受到自身重力G,和支撑腿a、b、c上弹簧的压紧力Fsa、Fsb、Fsc。

由力的平衡可知:

解得:

2.2 支撑杆组b碰到台阶

2.2.1 支撑杆b组前轮碰到台阶

由于管道机器人在跨越台阶时速度很小,本研究采用静力学分析其受力情况(受力图如图3所示)。其中,O点为机器人重心,杆O1O2为机器人支架,前轮O1为从动轮,后轮O2为驱动轮。管道机器人前轮(从动轮)碰到台阶的情形如图3(a)所示,分别由xy方向力平衡可知:

对点O1,由力矩平衡:

式中:F1—台阶对前轮的反作用力,f1—前轮受到的滚动阻力,f—滚动阻力系数,F2—后轮受到管壁的反作用力,f2—驱动轮受到的摩擦力,μ—滑动摩擦系数,Fsb—轮b受到重力和压紧力的合力,D—轮子直径,α—滚动阻力与竖直方向的夹角。

将公式(3~6)联立,消去Fsb、F1、F2,得:

由图3中几何关系知:

代入式(7)中,由于机器人各轮外部采用硬质耐磨橡胶材料,故可设滚动阻力系数f≈0,可求得:

式中:hw∕D—管道机器人前轮单位车轮直径可克服的台阶高度,反映了其前轮越障的能力。

由上式(9)可知,hw∕D与μ、a/L、D/L有关。

现将利用Matlab软件全局寻优过程介绍如下:变量参数:μ、a/L、D/L目标函数:式(9)

约束条件:

式中:R—管道在弯道处的半径,D1—管道直径。

且:

由式(9)可知,μ与hw∕D成正比,分析时,取μ的最大值,令μ=1。本研究在弯道半径为155 mm的管道中进行分析:

(1)要取得式(9)的最大值,只要求得的最小值即可;

(2)令a=x1,D=x2,L=x3,则:

(3)变量参数为x1,x2,x3;

(4)由式(5)和式(10)可知约束条件为:

(5)利用Matlab优化工具箱,使用fmincon函数。作出目标函数的函数图象,确定起始点x0的近似大小。

(6)由式(12),令x3=420 mm,代入式(11),画出它的三维图像。

(7)函数图形如图4所示。由图4可确定x0的大概位置是(382,74,420)。设计时,驱动轮采用钢骨架外衬耐磨橡胶,一般的石油管道是16Mn钢,钢与橡胶的摩擦系数约为0.75[10],故μ取0.75。

(8)由fmincon函数计算出局部最小值及相应x值x1,再利用x1循环迭代,最终得到满意的最小值。经过对x的4次迭代,fmincon函数参数“maxiter”在第一次迭代中设为20,x1=(384.76,75.10,417.55),fval=0.07;第2次迭代中设为5,x2=(385.55,75.40,416.79),fval=0.058;第3次迭代中设为5,x3=(386.68,75.83,415.70),fval=0.029第4次迭代中设为1。得到x4=(386.70,75.84,415.68),fval=0.024 2。由于x4的值和x3的值非常接近,f的值也非常接近,达到了收敛精度(精度为百分位),停止迭代。

(9)上述理论值的精度为0.01 mm,在实际加工中,为减小生产成本和制造难度,将精度下调为1 mm,故最终x为(387,76,416)。

(10)hw/D在可行的加工精度内,摩擦系数μ=0.75的情况下,hw/D最大值为0.476。优化后,a=384mm,D=76 mm,L=416 mm,μ=0.75,优化尺寸后的管道机器人的越台能力hw/D=0.476。故该尺寸的管道机器人在管道直径为310 mm,弯道直径为200 mm中能跨越最高的台阶hw=36.176 mm≈36 mm。可越过的高度将近是轮子直径的一半。

2.2.2 后轮碰到台阶

支撑杆b组后轮碰到台阶时受力情况如图3(b)所示。分析可知:

由式(13)解得:

式(14)表示后驱动轮单位轮直接可克服的台阶高,即管道机器人后轮越过台阶的能力。

由式(14)可知,后轮越过台阶的能力与管道机器人本身的参数无关,只与滑动摩擦系数μ有关。由式(9)和式(14)可知,通过提高轮的滑动摩擦系数既能提高前轮的越台能力又能提高后轮的越台能力。由前述分析知μ=0.75,则后轮越台能力hw/D=0.1。hw=0.1 D,是后轮直径的1/10,若后轮与前轮的直径相同,则后轮的越台高度hw为7.6 mm。越台高度只有前轮的越台高度的1/5,若要改善后轮越台的能力,只能增大后轮的摩擦系数和后轮的直径,由于摩擦系数提高比较困难而且效果不明显,较可行的方法是增大后轮的直径或者增大后轮的正压力。最大直径理论上不超过155 mm。

2.3 支撑杆组a碰到台阶

支撑杆组a碰到台阶时,由图3受力分析可知:

由上式解得:

Fsa的受力有两种情况,一种为受力方向指向管壁,即Fsa>0;另一种情况与之相反,Fsa<0,受力方向背向管壁。

(1)[Fsb×sin(90°-β)+Fsc×cos(120°-β)-G]>0

Fsa>0,则与支撑杆组b碰到台阶时受力情形相似,分析过程与支撑杆b之情况相同,这里不再赘述。分析结果与支撑杆b组的分析结果相同。

(2)[Fsb×sin(90°-β)+Fsc×cos(120°-β)-G]<0

该种情况下,Fsa的方向不再指向管壁,而是背向管壁。本研究将图3中Fsb替换成Fsa,方向向上。

①前轮碰到台阶时受力分析:

上式求解得:

式(18)与式(7)完全相同,故最后分析结果也相同。

②后轮碰到台阶时受力分析:

上式解得:

由解得结果可知,后轮的越障能力也与支撑杆b组后轮的越障能力相同。故整个支撑杆组a跨越台阶与支撑杆组b跨越台阶的能力是一样的。由于管道机器人的支撑杆组b、c在圆周上是均匀分布的,它们的跨越障碍的能力相同。

由以上分析可知,支撑杆组a也与支撑杆组b的越台能力相同,支撑杆组b与支撑杆组c的越台能力相同。故3组支撑臂组的越台能力相同。它们具有对称性和同一性。这是对三轴差速理论中“输出轴的输出转速n11、n22、n33和总输入转速n0的相对运动关系是平等的”这一重要结论的验证。在管径为310 mm,弯道直径为200 mm的管道中,研究者利用文中分析方法得出的优化参数,可使管道机器人前轮的越障能力大幅提升,跨越障碍的高度将近为前轮直径的一半。针对后轮可以通过增大后轮的直径或者增大后轮的正压力来提高其越障能力。

3 结束语

笔者应用静力学分析和在可行域寻最优解的方法,验证了三轴差速理论的正确性。针对特定管径的管道,本研究得出了有效解决三轴式差速机器人跨越障碍的机器人结构参数。研究者通过文中的方法,可以计算出针对不同管径中机器人的结构参数,这对三轴式差速机器人理论内容是有效的补充。本研究通过从设计中优化设计参数,提高机器人本身的越障性能,从根源上提高了机器人对环境的独立适应能力。

与其他类型机器人比较,三轴式差速机器人在管道弯道部分通过性方面有明显的优势,但三轴式差速机器人在三通处的通过性问题尚没有得到很好的解决。今后研究者将以此为主要研究方向,以求进一步完善三轴式差速机器人理论。

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越障分析 篇3

全球地震、泥石流、等自然灾害以及人为的恐怖袭击等给人类的生命财产安全带来了严重的威胁。灾难中伴随有大量的房屋建筑倒坍,致使众多受困者被困被埋,由于灾难过后地形环境变得很复杂,这就造成救援设备无法在复杂的地面环境中顺利搜索和救援受困者,从而往往延误了最佳的救援时间[1,2]。为了适应这种复杂的非结构地面环境,国内外现在对救援机器人已有很多涉及和研究。基本上可以分为普通轮式救援机器人,普通履带式救援机器人,轮履复合式救援机器人。但是,这些类型的救援机器人都存在一定的局限性。普通的轮式救援机器人机动性好,但是越障性能差;普通履带式救援机器人越障性能好,但是机动性差;轮履复合式救援机器人结合了以上两者的优点,但是结构相对复杂。

本文设计的一种六轮救援机器人将很好的解决传统救援机器人带来的问题,同时兼备高机动性、灵活性,极强的地面通过性,以及结构简单等优点。与其他轮式、履带式等救援机器人相比,六轮救援机器人虽然越障能力很强,机动性好,但是也存在机器人越障规划过程中稳定性、安全性的保证有一定难度的问题。因此,本文针对六轮救援机器人的越障运动,提出了一种在满足越障的几何约束条件下,以保障机器人运动稳定性为目标,采用遗传算法进行运动规划的方法。

1 六轮救援机器人的机械结构

如图1所示,六轮救援机器人主要由车架、可控摆臂、周向减震、减速箱、直流电机以及车轮组成。六个车轮分别安装在六个可控摆臂上,车轮中内置无刷直流轮毂电机给救援机器人提供动力,分别控制六个无刷电机可以实现救援机器人的前进、后退、转弯等。控制摆臂的直流电机通过涡轮蜗杆减速箱与周向减震相连。周向减震的另一边与可控摆臂相连。控制六个直流电机通过蜗轮蜗杆减速箱减速后把动力通过周向减震器传递给可控摆臂,这样可以实现救援机器人自身姿态的调整。其中周向减震器一方面可以吸收地面传递过来的冲击,避免直接对减速箱产生破坏,另一方面可以使救援机器人在不平整的地面上运行时六个车轮同时接触地面。当六轮救援机器人在遇到障碍物时,合理的控制六个直流电机可以使摆臂做出不同的姿势,从而通过相应的障碍物。这种可控摆臂形式的六轮救援机器人越障能力很强,不同于传统的救援机器人越障能力受车轮半径的限制。

1.车轮1;2.车轮2;3.车轮3;4.车轮4;5.车轮5;6.车轮6; 7.可控摆臂1;8.可控摆臂2; 9.可控摆臂3;10.可控摆臂4;11.可控摆臂5; 12.可控摆臂6;13.车架;14.直流电机; 15.蜗轮蜗杆减速箱;16.周向减震器

2 越障规划分析

救援机器人工作在非结构环境下时,需要进行越障救援,所以它必须有一定的越障能力,也就是要适应复杂三维的地形,如沟壑、斜坡、台阶等。在跨越沟壑时,理论的最大越障宽度Ymax是受救援机器人轴距S限制的,如图2所示可以知道Ymax=S。所以救援机器人在越沟壑时,为了越沟壑的稳定性,在底盘不触地的前提下尽量降低机器人的重心。

如图3所示,在斜坡、台阶障碍时,六轮救援机器人具有其特殊性,当越障时控制直流电机使摆臂1,6摆到一定位置脱离地面时,这时只有四个车轮在地面上,此时由于机器人重心以及外界干扰问题可能会引起救援机器人失稳。所以在越障过程中合理的控制六个直流电机的运动,使得救援机器人越障稳定性最好是本文研究的关键所在。

通过查阅大量的相关文献资料知道运动稳定性分为静态稳定性和动态稳定性。其中静态稳定性可以通过重心投影法,静态稳定边界法,能量稳定边界法来分析;动态稳定性可以通过基于ZMP的稳定性判据法,基于动量的稳定性判据,基于力-角稳定性判据法等方法来分析[3]。由于救援机器人在越障或跨越壕沟等特殊行驶工况下,出于机器人稳定性的考虑,保证救援机器人安全稳定的越过障碍,通常需要保持较低的行驶速度[4]。因此,在对越障等过程的稳定性分析中忽略速度和加速度因素的影响,并且把整个越障过程转化为静态稳定性分析的问题。因此,这里采用静态稳定性边界法来进行分析。

所谓的静态稳定性边界法是Mo Ghee和Isw andhi在重心投影法的基础上,通过重新定义稳定区域为机器人与地面的接触点连接而成的凸多边形的水平投影区域,提出了适应于不平坦地面上机器人稳定性度量方法[2]。当机器人质心的水平投影处于凸多边形的水平投影区域内时,机器人便是处于稳定的。该方法是采用机器人重心投影到凸多边形的水平投影区域边界垂直距离的最小值来度量的。把重心到各边界垂直距离称为各边界裕量X1,X2,X3,……,其中最小值称为稳定边界裕量Xm。当机器人稳定运动时,其稳定裕量定义为:

在本文中为了研究方便,把越障稳定裕量Xm等效为稳定等效裕量Xm=。显然稳定等效裕量Xm越小,机器人越障越稳定。六轮救援机器人在越障过程中合理规划各摆臂角度可以使救援机器人依次越过障碍。对于同一高度的障碍必定会有多种组合的摆臂角度可以达到越障要求,为了达到越障的稳定性必须找到多种组合中稳定等效裕量Xm最小的一组,使得机器人越障最稳定。

如图2所示,六轮救援机器人是由多个部件组成的,每个部件都有各自的重心,那么可知六轮救援机器人的重心由各个部件综合得到[5]。如图建立坐标系,求重心坐标位置可以建立重心力矩空间平衡方程:

由于x方向是对称布置,救援机器人x轴方向的重心坐标就是在其中心平面上。对于y轴和z轴建立重心力矩空间平衡方程如下:

其中:

根据几何关系可以建立越障高度方程:

对上述公式进行分析可知,救援机器人在越障过程中对摆臂姿态的调整(θ1,θ2,θ3的值发生改变)不仅对越障高度h有影响,而且对救援机器人越障稳定裕量也有影响。如果仅仅考虑越障的高度,不考虑稳定性,那么θ1,θ2,θ3满足条件的解将有无穷多个。如图3所示是满足h=0.3m时θ1 (-2.79,0),θ2 (-1.57,0),θ3(0,1.57)的所有解,图3中x轴对应,y轴对应,z轴对应。可以看出解是无穷多个。因此,合理的规划摆臂的姿态,使得救援机器人在满足不同的越障高度h时,得到越障稳定等效裕量最小的那组θ1的解是研究的关键。

3 遗传算法应用

遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是一类借鉴生物界自然选择和生物自然遗传机制的带启发的随机搜索优化算法,具有良好的优化性能及与优化对象模型机理无关通用性。GA是一种鲁棒性好,操作规则简单的适应于多目标优化问题的求解方法[6,7]。针对六轮救援机器人越障过程,在满足越障的几何约束条件下,以保障机器人运动稳定性为目标,采用遗传算法进行运动规划。

这里以水平面越障为例进行分析,即α=0。时的情况。代入表1的数值对以上公式进行化简可以得到适应度函数为:

约束条件函数为:

其中,为了避免越障过程中底盘触地情况取 θ 1(-2.79,0),θ2 (-1.57,0),θ3(0,1.57),h是0~hmax的数值;采用遗传算法把上述适应度函数和约束函数对调,取稳定等效裕值为0.4~0.6之间,可以求得θ1=-2.79,θ2=-1.57,θ3=1.57,hmax=-0.5582。这里主要研究最优运动规划,所以对于hmax的求得不做详细讨论。

在救援机器人越障过程中只要通过传感器探知越障的高度h,并且在可越障范围之内。那么通过以上遗传算法就可以很快得到一组使得稳定等效裕值Xm最小的最优越障姿态。假如通过传感器探知越障高度h=0.3,通过MATLAB遗传算法工具箱可求得: θ 1=-2.3643, θ 2=-0.6129,θ3=0.6923对应稳定等效裕值Xm=1.3869×10-7。同时,在运行遗传算法的过程中会动态显示适应度的变化如图4所示。图4中动态的显示了进化过程中最佳个体的适应度变化、群体平均适应度变化。

越障过程中不仅需要满足越障稳定裕量最大(等效越障稳定裕量最小)的目标,而且越障过程中重心的高度变化也是救援机器人的稳定性因素之一。因此,把六轮救援机器人在。的水平面遇到0~0.5m障碍物时,越障高度每隔0.01m取一个数值,分别用以上描述的遗传算法算出每个越障高度h对应的角度值。然后,把求得的数值代入公式(2)中求得对应的救援机器人重心高度H的值,在采用多项式曲线拟合方法绘制出如图5所示的曲线。从图5中可以看出救援机器人重心高度H变化平滑,变化区间不大(H)。

通过以上分析可以看出,六轮救援机器人利用遗传算法可以根据已知的越障高度和斜坡角度很快规划出满足最优稳定裕度要求的运动摆角参数,并且得到的摆角参数计算出的救援机器人重心高度H变化平滑。从而可以说明利用遗传算法对该六轮救援机器人的运动规划简单可靠,有效的保证了运动过程中的稳定性,安全性。

4 结论