救援机器人越障过程设计.pdf

电技术与自动化?
林小式,等·救援机器人越摩过程设计
救援机器人越障过程设计
林小武,钱瑞明,刘巍,陈志华
〔东南大学机械工程学院,江苏南京211139
摘要:介绍一种救援机器人。针对该机器人提出了基于最大越障高度和越障稳定性的越障
过程,并对此过程中救授机器人的关鍵姿态进行分析,得出救援机器人的越障决策。
关键词:救援机器人;越障高度;稳定性;越障决策
中图分类号:THI2;TP242文獻标志码;B文章编号:16715276(2010)02-013903
Obstacle Negotiation Design for Rescue Robot
IN Xiao-wu, QIAN Rui-ming, LIU Wei, CHEN Zhi-hua
Department of Mechanical Engineering, Southeast University, Naning 211189, China)
Abract Firstly he paper brey rues a escu roo. Then according to the maximum obstacle-crossing height and is sta
bili his ar e sac n ig r his he tical analyzs its rucial posture in this design and
obtain the obstacle negotiation decision for this robot
Key words: escue robot; obstacle negotiation ei ht; stabilit; obstace notation decision
0引言
摆机构模块
主履带机枃模块主体模块
救援机器人用于在危险环境中进行搜索救援工作,如
火灾现场、坍塌的房屋中。鉴于救援环境中的复杂地形
该类机器人应具有较强的地形适应性、越障性。本设计的
救援机器人曾用于参加全国救援机器人大赛,属于多关节
履带式机器人,它可以通过改变各摆臂姿态以适应地形,
越过障碍。对于矮小的障碍,该救援机器人在摆臂的简单
辅助下便可通过障碍;但对于较高的障碍,救授机器人就
图1救援机器人模块组成
需要充分运用摆臂的支撑能力通过障碍。文中涉及的越
障过程是针对救授机器人翻越较高的障碍而设计的,并针
对此越障过程中的关键环节进行了稳定性分析和越障高2救援机器人越障过程
度分析,同时得到越障决策。
鉴于救授机器人复杂的工作环境,需要救授机器人能
1救援机器人筒介
够发挥最佳的越障能力,并保持越障稳定。针对此要求,
介绍一种基于最大越障高度和越障稳定性的越障过程。
如图1所示,该救援机器人由3大模块构成:1)主救援机器人的相关参数如图2所示。,B分别为前摆臂
体模块;2)主履带机构模块主履帯机构模块用于实现后摆臂与主体模块的夹角;为主体模块的倾角。由于救
机器人的前进、后退及转向;3)摆臂机构模块。每个援机器人的整体结枃对称,且主体机构的质量占绝对优
摆臂机构模块都可以独立正反旋转360°,4个摆臂可势,因此可假设救援机器人的重心是在其形心。的位置。
以实现各种组合姿态,使得救援机器人具有较强的地
形适应性。主体模块位于机器人正中,和两边的主履
带机构模块相连形成一个整体,用于安装各种传感器
控制器及电源。
同时,救援机器人的3大模块对称分布,主体模块位
于正中,主履带机构模块左右对称,4个摆臂机构模块全
对称分布。这样,救授机器人的重心在形心附近,有利于
机器人平稳地越障。
图2救授机器人尺寸参数
作者简介:林小武(1985-),男,江苏南通人,东南大学硬士研究生,主要研究方向为智能机器人。
Machine Building&Automation, Apr 2010, 39(2): 139.141
?电气技术与自动化?
林小武,等?救援机器人越障过程设计
当救援机器人面对较高的障碍时,可以执行以下越障
由图4的几何关系得到,救极机器人的越障高度为
过程通过障碍,如图3所示。起初,救援机器人以姿态
h=r+L+Sina/2-R/cos0
(a)逐渐接近障碍,当主履带前轮的轮心距离障得约为L
同时,在此临界状态下,要使得救援机器人能够越过
时(其中距离L可以通过激光测距传感器获得),所有摆障碍,需要满足以下条件
臂同时旋转直到=B=90(转角化和B可以通过转角位
Csin6'≤Ceos6'= tan@Gcosi6',即6'≤q(2)
置传感器和电动机编码器计算获得),即达到姿态(b);然式中:ルー一救授机器人主履带与障碍之间的摩擦系数;
后,救授机器人以姿态(b)逐渐接近障碍,当主履带接触
对应的摩擦角;
到障碍边缘E点或主履带前轮的轮心距离障得约为R
6'临界姿态下主体模块的倾角。
时,前对摆臂顺时针转动直到Q=180°,与此同时后对摆
当6'=g时,得到救授机器人的越障极限高度为
臂相应转动并始终保持β=90°+(其中θ角可以由主体
hmm=r+L+Ssing/2-r/cos
模块中的倾角传感器测得),便获得姿态(d);接下来,保
在此越障过程中,救援机器人的后对摆臂始终保持竖
持a=180°且B=90°+θ,救援机器人爬上障碍,当救授机直状态。相比于后对摆臂的其他倾斜姿态,竖直姿态下的
器人重心G的投影经过障碍边缘E时,便得到姿态(e);后対摆臂能够使得救援机器人发挥最大越障能力,即能够
此时,如果障碍高度在其越障能力范围内,救援机器人便获得其最大越障高度;并且翻越同等障碍时,主体模块的
越过障碍,达到姿态(f)。
倾角较小,便于机器人爬上障碍
在该越障过程中,由姿态(b)到姿态(e),救授机器人
在不考虑稳定性的情况下,如果救援机器人在整个越
的后对摆臂始终保持竖直状态。这有利于机器人翻越更障过程中保持≤p(或6'≤g),则救授机器人通过障碍;
高的障碍,并保证机器人越障的稳定性,具体过程在下ー否则,救援机器人放弃越障,另辟蹊径到达目的地。
节中进行分析。
3.2稳定性
G
で)G(
研究救援机器人越障稳定性主要为了防止其在越障
过程中发生倾翻。判断救援机器人稳定性的方法有多种
这里选用重心投影法。救授机器人与地面接触点的连线
G
形成一个多边形,当救援机器人重心的投影落在该多边形
内部时,其处于稳定状态
(d)
对于文中提出的越障过程,主要防止救援机器人发生
图3救攫机器人越障过程
后翻现象。因此这里选用γ作为稳定性指标,如图4所
示。y是由重心O到支撑点P的矢量与重力矢量之间的
夹角。当γ趋向于零时,救授机器人越障稳定性下降。
3越障性分析
运用该指标对越障过程中的临界姿态(图4)进行分
析,因为只要保证救授机器人在此状态下的稳定性,机器
研究救授机器人的越障性能,就是对其最大越障高度人便可越过障碍。在此临界姿态下,γ取值最小,通过几
和越障稳定性进行分析。选取救援机器人在该越障过程何关系求得
中的关键姿态进行研究,得出救授机器人的越障极限高度
tany =2(r+L)+ Sine
(4
和稳定性能。
式中:y'为救授机器人在临界状态