王川偉，馬 琨，楊 林，馬宏偉，薛旭升，田海波

（西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054）

0 引 言

農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種新型多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械，可以代替人類在農(nóng)業(yè)環(huán)境下作業(yè)，以減輕人類的勞作負(fù)擔(dān)，得到廣泛關(guān)注[1-3]。機(jī)器人根據(jù)行走機(jī)構(gòu)的不同，可分為輪式[4]、腿式[5]、履帶式[6]及仿生式[7]四大類。隨著科技的進(jìn)步，常歸機(jī)器人結(jié)構(gòu)已經(jīng)滿足不了工業(yè)及日常需求，目前已經(jīng)出現(xiàn)多種混合結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，如：輪腿機(jī)器人[8]、履腿機(jī)器人[9]、輪履機(jī)器人[10]及特種履帶移動(dòng)平臺(tái)[11-12]。其中，履腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可在復(fù)雜環(huán)境中完成相應(yīng)任務(wù)，因此得到了更廣泛的研究[13-14]。美國(guó)起步較早，美國(guó) iRobot公司研制的Packbot系列小型便攜式履帶機(jī)器人[15]，采用2擺臂四履帶結(jié)構(gòu)，機(jī)器人可借助擺臂完成翻越障礙動(dòng)作。李允旺等研究了一種四履帶兩擺臂機(jī)器人[16]，分析了機(jī)器人克服臺(tái)階、斜坡、溝道等典型障礙的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及其最大越障能力。崔金濤等[17]研究了一種具有差動(dòng)機(jī)構(gòu)的四履帶式機(jī)器人，通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析完成了臺(tái)階型障礙的越障性能分析。本文將研究具有多姿態(tài)變化的四擺臂-六履帶機(jī)器人的越障性能，通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立機(jī)器人重心坐標(biāo)方程，分析機(jī)器人在單側(cè)障礙地形下的越障穩(wěn)定性。

目前，各位學(xué)者對(duì)履帶腿式機(jī)器人越障性能的研究，主要以平面運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)方式對(duì)臺(tái)階類垂直越障方面的研究[18-19]，主要以俯仰角度的研究來(lái)判斷機(jī)器人的越障性能。但是機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行探測(cè)時(shí)，會(huì)遇到各種各樣的路面情況[20-23]。機(jī)器人往往不會(huì) 2條履帶同時(shí)越過(guò)障礙物，當(dāng)機(jī)器人一側(cè)履帶遇到障礙物時(shí)，其橫滾角、俯仰角及重心位置都有一定的變化，會(huì)影響機(jī)器人越障過(guò)程的穩(wěn)定性[24-25]。機(jī)器人采用套筒軸傳動(dòng)形式，使擺臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與履帶輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，設(shè)計(jì)了一種具有四擺臂的六履帶機(jī)器人（4SA-6TR），機(jī)器人四個(gè)擺臂可以自由旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)更多姿態(tài)的變化，具有較高的越障能力。以單側(cè)臺(tái)階障礙地形為例，研究機(jī)器人姿態(tài)的實(shí)時(shí)控制策略，即機(jī)器人可根據(jù)障礙的大小及高度，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人四個(gè)擺臂的旋轉(zhuǎn)角度，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平穩(wěn)越障。

1 4SA-6TR機(jī)器人結(jié)構(gòu)

1.1 4SA-6TR機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

在履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)的研究中，為提高機(jī)器人的越障性能，實(shí)現(xiàn)多姿態(tài)變化，本文全自主研發(fā)了 4個(gè)擺臂均可自由旋轉(zhuǎn)360°的4SA-6TR機(jī)器人，如圖1所示。機(jī)器人由6個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中4個(gè)驅(qū)動(dòng)擺臂系統(tǒng)，另外2個(gè)分別驅(qū)動(dòng)機(jī)器人左、右 2個(gè)主履帶，機(jī)器人主要參數(shù)如表1所示。4SA-6TR機(jī)器人主要由左前擺臂系統(tǒng)（left front system，LF）、右前擺臂系統(tǒng)（right front system，RF）、左后擺臂系統(tǒng)（left rear system，LR）、右后擺臂系統(tǒng)（RR）及機(jī)器人箱體組成。機(jī)器人采用套筒軸結(jié)構(gòu)，使 4個(gè)擺臂系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與 2個(gè)行走履帶的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相分離，以實(shí)現(xiàn)多姿態(tài)變化。機(jī)器人可以隨時(shí)根據(jù)地形的變化來(lái)調(diào)整自身姿態(tài)，同時(shí)，機(jī)器人在調(diào)整姿態(tài)時(shí)不影響機(jī)器人正常行走[26]。

圖1 四擺臂-六履帶機(jī)器人樣機(jī)Fig.1 4 SA-6TR robot prototype

表1 機(jī)器人主要參數(shù)Table 1 Main parameters of robot

1.2 4SA-6TR機(jī)器人傳動(dòng)原理

4SA-6TR機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖2所示，其傳動(dòng)系統(tǒng)主要分為擺臂系統(tǒng)及行走系統(tǒng)，由擺臂軸與套筒軸2個(gè)可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的部件把 2個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力相互隔離開(kāi)，形成2個(gè)相互獨(dú)立的傳動(dòng)系統(tǒng)。

機(jī)器人擺臂系統(tǒng)工作原理為：機(jī)器人擺臂電機(jī)通過(guò)擺臂小、大齒輪及擺臂軸，把動(dòng)力傳遞給擺臂外支架，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人擺臂 360°旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人行走工作原理為：機(jī)器人主履帶電機(jī)通過(guò)主履帶小、大齒輪及套筒軸，把動(dòng)力傳遞給主履帶輪，主履帶輪再通過(guò)主履帶及擺臂履帶把動(dòng)力分別傳遞給從履帶輪及擺臂履帶輪，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人正常行駛。

圖2 4SA-6TR機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.2 Transmission systems of 4SA-6TR robot

由于機(jī)器人所需要的電機(jī)個(gè)數(shù)較多，同時(shí)要求機(jī)器人整體質(zhì)量要小，因此，本文選擇了功率密度較大的Maxon無(wú)刷直流電機(jī)。同時(shí)由于2個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)要求不同，機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)要求有較高的速度，而擺臂系統(tǒng)的電機(jī)要求電機(jī)的旋轉(zhuǎn)能夠支撐機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多姿態(tài)變化。機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)與擺臂系統(tǒng)的電機(jī)參數(shù)會(huì)有所不同，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 4SA-6TR機(jī)器人電機(jī)主要參數(shù)Table 2 Main parameters of 4SA-6TR rotot motor

2 4SA-6TR機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 坐標(biāo)系的建立

在對(duì)4SA-6TR機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析時(shí)，可把機(jī)器人看作是1個(gè)自由關(guān)節(jié)與4個(gè)關(guān)節(jié)并聯(lián)連接起來(lái)的連桿構(gòu)成[23]。應(yīng)用機(jī)器人學(xué)中的D-H坐標(biāo)變化方法，建立坐標(biāo)系，如圖3所示。機(jī)器人全局坐標(biāo)系為∑O- xyz；機(jī)身箱體中截面與后擺臂旋轉(zhuǎn)中軸線的交點(diǎn)建立機(jī)身坐標(biāo)系 ∑ O0- x0y0z0，右后擺臂旋轉(zhuǎn)軸中心及右前擺臂旋轉(zhuǎn)軸中心分別建立坐標(biāo)系 ∑ O1- x1y1z1、 ∑ O2- x2y2z2，另外2個(gè)擺臂可用相同理論計(jì)算，因此在本文不再詳細(xì)論述。

圖3 機(jī)器人坐標(biāo)系Fig. 3 Robot coordinate

由圖 3坐標(biāo)系可推得機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)各部件之間的關(guān)系矩陣如下：

式中0T1表示右后擺臂軸相對(duì)于機(jī)身的位姿坐標(biāo)，0T2表示右前擺臂軸相對(duì)于機(jī)身的位姿坐標(biāo)，α為機(jī)器人擺臂旋轉(zhuǎn)角度，（°）。D表示機(jī)器人前后輪軸中心距，mm，B表示機(jī)器人機(jī)身寬度（機(jī)器人最大輪廓寬度），mm。

2.2 4SA-6TR機(jī)器人重心坐標(biāo)求解

在研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí)，假設(shè)機(jī)器人4個(gè)擺臂前后、左右結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，且4個(gè)擺臂系統(tǒng)質(zhì)量相等，m1表示機(jī)器人擺臂質(zhì)量（主要包括外支撐臂、內(nèi)支撐臂、擺臂輪、履帶等部件質(zhì)量之和）；機(jī)器人箱體質(zhì)量m0（主要包括電池、工控機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、電機(jī)、齒輪、主履帶、履帶輪及箱體等部件質(zhì)量之和）。L1表示機(jī)器人擺臂長(zhǎng)度（擺臂驅(qū)動(dòng)軸與擺臂輪之間的距離）。lcx、lcy、lcz表示箱體重心x、y、z方向的位置，l1表示擺臂重心位置，表示機(jī)器人箱體重心坐標(biāo)，0p 、0p 、0p 、0pc1c2c3c4機(jī)器人擺臂重心坐標(biāo)。因此機(jī)器人箱體及前、后擺臂重心的位置坐標(biāo)可表示為：

由重心定理，可知某物體的重心方程為：

式中i=1,2,3……n，為各零部件的個(gè)數(shù)，m表示各零部件的質(zhì)量，Gx、Gy、Gz分別表示物體的坐標(biāo)。

因此，借助于由重心定理，可得機(jī)器人的重心方程為：

可得機(jī)器人重心在箱體坐標(biāo)系下有：

2.3 機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定性分析

機(jī)器人穩(wěn)定性的研究主要有重心投影法（CoG，centre of gravity）及零力矩點(diǎn)法（ZMP，zero moment point）[27-29]，靜態(tài)穩(wěn)定邊界法(SSM，static stability margin)，能量穩(wěn)定邊界方法(ESM，energy stability margin)[30]。ZMP主要應(yīng)用于雙足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性中，由于機(jī)器人為 4擺臂結(jié)構(gòu)，機(jī)器人與地面可以有多個(gè)點(diǎn)接觸，因此，本文將應(yīng)用 CoG法對(duì)機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在對(duì)4SA-6TR機(jī)器人穩(wěn)定性的研究中，根據(jù)三點(diǎn)確定一個(gè)穩(wěn)定平面、兩平行線確定一個(gè)穩(wěn)定平面及一點(diǎn)和一線確定一個(gè)穩(wěn)定平面的原理，分析機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)22種不同組合的穩(wěn)定姿態(tài)形式，機(jī)器人常用越障姿態(tài)如圖4所示。

圖4 機(jī)器人常用越障姿態(tài)Fig.4 Abstacle-surmounting posture robots commonly used

機(jī)器人在行駛過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)越障，需要機(jī)器人實(shí)時(shí)自主辨識(shí)機(jī)器人行駛過(guò)程中其重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況。以機(jī)器人前右擺臂及后面 2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)接觸地面，以三點(diǎn)確定一個(gè)穩(wěn)定平面的穩(wěn)定姿態(tài)進(jìn)行分析，如圖 5所示。當(dāng)機(jī)器人的重心 CoG在地面上的投影CoG1在機(jī)器人確定的穩(wěn)定三角形ABC區(qū)域內(nèi)時(shí)，可以判定機(jī)器人行駛是穩(wěn)定的。當(dāng)機(jī)器人前右擺臂 C點(diǎn)滑移到 C1點(diǎn)時(shí)，CoG1落在三角形 ABC1區(qū)域外時(shí)，機(jī)器人會(huì)沿 AC1線發(fā)生翻滾，則機(jī)器人不穩(wěn)定。

圖5 機(jī)器人重心投影圖Fig.5 Barycentric projection of robot

3 4SA-6TR機(jī)器人單側(cè)障礙越障性能分析

3.1 機(jī)器人越障矩陣求解

對(duì) 4SA-6TR機(jī)器人單側(cè)臺(tái)階障礙地形運(yùn)動(dòng)控制的研究，在擺臂輪與路面的接觸點(diǎn)建立坐標(biāo)系 ∑ O3- x3y3z3，圖中擺臂長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，臺(tái)階高度為H，擺臂旋轉(zhuǎn)角度為α。

圖6 單側(cè)臺(tái)階障礙坐標(biāo)系Fig.6 Unilateral step obstacle coordinate

根據(jù)圖 6所示，機(jī)器人箱體坐標(biāo)系相對(duì)于前擺臂輪的坐標(biāo)為：

可得機(jī)器人擺臂與地面的接觸點(diǎn)在箱體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

3.2 單側(cè)障礙越障穩(wěn)定性分析

當(dāng)機(jī)器人在樊越單側(cè)障礙時(shí)，可得機(jī)器人重心坐標(biāo)為：

令（lcz- B / 2 ） cφ= 0 ，機(jī)器人重心與前擺臂坐標(biāo)系的X軸重合，此時(shí)機(jī)器人橫滾角度最大（φmax），因此可得機(jī)器人可攀爬單側(cè)障礙的高度為：

因此，當(dāng)單側(cè)臺(tái)階障礙高度滿足 H ＜Hmax時(shí)，可得機(jī)器人擺臂角度與機(jī)器人橫滾角度的關(guān)系式為：

在單側(cè)障礙環(huán)境下，當(dāng)臺(tái)階高度 H ＜ L1+r- R 時(shí)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)機(jī)身水平越障。當(dāng)臺(tái)階高度滿足L1+r- R ≤ H ≤ Hmax時(shí)，機(jī)器人會(huì)發(fā)生傾斜，但還是能夠穩(wěn)定行駛。因此機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，在臺(tái)階高度H為任意值時(shí)，擺臂旋轉(zhuǎn)角度需要滿足關(guān)系式：

4 4SA-6TR機(jī)器人越障性能仿真分析

4.1 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置

通過(guò)Soliworks完成了4SA-6TR機(jī)器人及其地形的三維造型設(shè)計(jì)，按1:1的比例將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入Adams虛擬樣機(jī)仿真軟件，得到機(jī)器人越障及地形的虛擬樣機(jī)仿真環(huán)境。機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)為L(zhǎng)1=295 mm，R=96 mm，r=48 mm，B=790 mm，L=830 mm。由于機(jī)器人行走輪的半徑為96 mm，當(dāng)障礙物的高度大于96 mm時(shí)，對(duì)于普通輪式機(jī)器人就很難越過(guò)，因此，為體現(xiàn)機(jī)器人的越障性能，本文以H=150 mm及H=100 mm的組合單側(cè)臺(tái)階型障礙對(duì)機(jī)器人的越障性能進(jìn)行仿真分析。

機(jī)器人在攀越單側(cè)障礙時(shí)，其橫滾角φ及俯仰角θ會(huì)發(fā)生變化。為使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)越障，機(jī)器人在越障過(guò)程中，其俯仰角及橫滾角要盡可能快地恢復(fù)到初始狀態(tài)，其擺臂就需要旋轉(zhuǎn)一定的角度，使機(jī)器人恢復(fù)到水平狀態(tài)。由于 H = 150 ＜ L1+r- R =247mm，機(jī)器人在臺(tái)階面上要保持水平，將機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)代入式（12），機(jī)器人擺臂旋轉(zhuǎn)的角度分別為α=42.2°及30.1°，其具體變化過(guò)程還需要根據(jù)越障過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。此角度值為機(jī)器人擺臂與水平方向的幅值角度，而非相量角度，要根據(jù)障礙位置情況再確定機(jī)器人各個(gè)擺臂的旋轉(zhuǎn)方向。

4.2 仿真試驗(yàn)

對(duì)機(jī)器人的巡檢速度要求一般是 2000 m/h，由于4SA-6TR機(jī)器人在越障過(guò)程中，其行駛速度不能太快，本文以 v=600 m/h(約 166 mm/s)的行駛速度進(jìn)行仿真分析。把相關(guān)參數(shù)代入仿真模型，實(shí)時(shí)控制機(jī)器人擺臂的旋轉(zhuǎn)角度，得到機(jī)器人在 2個(gè)不同高度單側(cè)障礙上完成上臺(tái)階及下臺(tái)階運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖7a~7h所示。其中圖7a~7d為150 mm臺(tái)階越障過(guò)程，圖7a為機(jī)器人越障前準(zhǔn)備，其前面2個(gè)擺臂向上旋轉(zhuǎn)30°，后擺臂向上旋轉(zhuǎn)20°；圖7b表示機(jī)器人的俯仰角發(fā)生了變化，圖7c表示機(jī)器人為了爬下150 mm的臺(tái)階，通過(guò)姿態(tài)調(diào)整，其橫滾角又發(fā)生了變化。圖7d表示機(jī)器人通過(guò)對(duì)機(jī)器人擺臂旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了第1次調(diào)平。圖7e為機(jī)器人從150 mm臺(tái)階下降到100 mm臺(tái)階的姿態(tài)調(diào)平過(guò)程。從圖7中可以看出，通過(guò)對(duì)機(jī)器人 4個(gè)擺臂旋轉(zhuǎn)角度的不斷調(diào)整，機(jī)器人的箱體在越障過(guò)程中始終保持在水平狀態(tài)。圖 7f~7g為機(jī)器人從100 mm臺(tái)階下降到平坦路面的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)下臺(tái)階的運(yùn)動(dòng)。

4SA-6TR機(jī)器人在雙重臺(tái)階型障礙時(shí)，其4個(gè)擺臂根據(jù)障礙的高度、位置及機(jī)器人的行駛速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，其各擺臂旋轉(zhuǎn)角度的變化如圖8所示。

圖7 機(jī)器人越障仿真試驗(yàn)Fig.7 Simulation test of robot obstacle-surmounting

圖8 機(jī)器人4個(gè)擺臂角度隨時(shí)間的變化Fig.8 Angle of robot's 4 swing arms varies with time

5 4SA-6TR機(jī)器人攀爬單側(cè)臺(tái)階障礙試驗(yàn)

5.1 測(cè)試試驗(yàn)

障礙地形選取室內(nèi)高度為 150 mm的臺(tái)階，根據(jù)ADAMS的仿真結(jié)果將機(jī)器人越障的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制曲線編譯到控制程序中，完成4SA-6TR機(jī)器人的越障姿態(tài)控制。機(jī)器人相關(guān)試驗(yàn)均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，完成 3次越障測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間約10 s。機(jī)器人擺臂旋轉(zhuǎn)角度通過(guò)機(jī)器人擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得，而機(jī)器人機(jī)身的俯仰角及橫滾角度利用三維數(shù)字羅盤測(cè)得。

機(jī)器人在越障試驗(yàn)中，機(jī)器人的初始姿態(tài)為前擺臂向上抬起30°，如圖9a所示。當(dāng)前履帶輪到達(dá)臺(tái)階時(shí)，機(jī)器人受重心位置的影響下機(jī)器人橫滾角度發(fā)生變化，其姿態(tài)如圖 9b所示。機(jī)器人的橫滾角度發(fā)生變化后，為使機(jī)器人機(jī)器人保持水平，需要其左前擺臂向下支撐，使機(jī)器人的橫滾角度恢復(fù)到正常狀態(tài)，其擺動(dòng)角度需要隨著機(jī)器人向前移動(dòng)而發(fā)生改變，其姿態(tài)如圖9c所示。當(dāng)機(jī)器人的橫滾角度恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，為使它的俯仰角度恢復(fù)到正常狀態(tài)，需要其左后擺臂向下支撐，其擺動(dòng)角度需要隨著機(jī)器人向前移動(dòng)而發(fā)生改變，機(jī)器人擺臂姿態(tài)控制如圖9d所示。當(dāng)機(jī)器人的右后履帶輪接觸到臺(tái)階時(shí)，其右后擺臂需要向上抬起與臺(tái)階上表面相平，其姿態(tài)如圖9e所示。

5.2 試驗(yàn)分析

4SA-6TR機(jī)器人在完成單側(cè)臺(tái)階越障過(guò)程中，其俯仰角度及橫滾角度變化如圖10所示。從圖10中可以看出，為實(shí)現(xiàn)150 mm臺(tái)階的平穩(wěn)越障，機(jī)器人在2.5~5.5 s越障階段，其俯仰角度及橫滾角度均發(fā)生很大的變化。其中，機(jī)器人俯仰角度達(dá)到 17.2°，而其橫滾角度達(dá)到16.6°。其中，俯仰角度的偏差較大，在a點(diǎn)時(shí)偏差了2.4°，最終通過(guò)機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整，俯仰角度穩(wěn)定在0.1°左右，整個(gè)越障過(guò)程中的均值誤差為 0.09；機(jī)器人的橫滾角度在b點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)1.1°的偏差，最終通過(guò)機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整，機(jī)器人的橫滾角度穩(wěn)定在0.3°左右，整個(gè)越障過(guò)程中的均值誤差為 0.11。通過(guò)對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)控制，達(dá)到了平穩(wěn)越障的控制要求。

圖9 機(jī)器人越障測(cè)試試驗(yàn)Fig.9 Experiment of robot obstacle-surmounting

圖10 機(jī)器人越障測(cè)試試驗(yàn)分析Fig.10 Experiments analysis of robot obstacle-surmounting

通過(guò)對(duì)4SA-6TR機(jī)器人擺臂旋轉(zhuǎn)角度的控制，機(jī)器人可以根據(jù)臺(tái)階的高度、位置及機(jī)器人行駛速度情況，利用其 4個(gè)擺臂實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，使機(jī)器人箱體恢復(fù)到近水平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人平穩(wěn)越障，說(shuō)明機(jī)器人在面對(duì)單側(cè)臺(tái)階障礙地形時(shí)，以此控制策略對(duì) 4SA-6TR機(jī)器人進(jìn)行越障進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，其方案是可行的。

6 結(jié) 論

1)本文研究了一種具有四擺臂的六履帶機(jī)器人(4SA-6TR)，履帶機(jī)器人采用套筒軸結(jié)構(gòu)，使4個(gè)擺臂系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與 2個(gè)行走履帶的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相分離，可實(shí)現(xiàn)多姿態(tài)變化。

2)通過(guò)對(duì)4SA-6TR機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析，借助重心定理得到了機(jī)器人在全局坐標(biāo)系下的重心坐標(biāo)方程。并建立了機(jī)器人擺臂旋轉(zhuǎn)角度與機(jī)器人橫滾角度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，完成了機(jī)器人單側(cè)障礙地形的越障性能分析；對(duì)公式進(jìn)行推導(dǎo)，得到機(jī)器人在攀越單側(cè)臺(tái)階穩(wěn)定行駛時(shí)機(jī)器人各擺臂旋轉(zhuǎn)角度α與臺(tái)階高度H的關(guān)系方程式。

3)建立了4SA-6TR機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型，完成了單側(cè)臺(tái)階高度為150 及100 mm雙重單側(cè)臺(tái)階障礙的越障仿真試驗(yàn)。最后把 ADAMS的仿真結(jié)果將機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制曲線編譯到控制程序中，通過(guò)機(jī)器人姿態(tài)控制，完成了150 mm障礙的測(cè)試試驗(yàn)。通過(guò)室內(nèi)測(cè)試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的俯仰角度偏差較大，最大偏差為2.4°，機(jī)器人越障后的俯仰角度穩(wěn)定在0.1°左右，整個(gè)越障過(guò)程中的均值誤差為0.09；而越障后的橫滾角度穩(wěn)定在0.3°左右，整個(gè)越障過(guò)程中的均值誤差為0.11，最終實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)越障。通過(guò)仿真及試驗(yàn)說(shuō)明4SA-6TR機(jī)器人在面對(duì)單側(cè)臺(tái)階障礙地形時(shí)，本文中所采用的控制策略是可行的。

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