輪-履雙模式自適應(yīng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

李 凡 張明路 呂曉玲 田 穎 白 豐

河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300130

輪-履雙模式自適應(yīng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

李 凡 張明路 呂曉玲 田 穎 白 豐

河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津，300130

基于被動(dòng)自適應(yīng)機(jī)理的研究，提出了一種具有輪-履雙運(yùn)動(dòng)模式的移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人能根據(jù)環(huán)境的約束產(chǎn)生被動(dòng)變形并轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)模式，跨越高于自身高度的障礙。通過(guò)建立移動(dòng)機(jī)器人模型，對(duì)影響其變形的各機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析，并通過(guò)優(yōu)化算法將各參數(shù)優(yōu)化。最后對(duì)機(jī)器人變形過(guò)程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了各機(jī)構(gòu)參數(shù)的合理性。

自適應(yīng); 輪-履模式; 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 參數(shù)分析

0 引言

移動(dòng)機(jī)器人在災(zāi)害救援、危險(xiǎn)作業(yè)、偵查巡視、檢修維護(hù)等方面有著廣泛的應(yīng)用，而此類(lèi)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境多為地形復(fù)雜、不可預(yù)測(cè)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，這就要求機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有足夠的機(jī)動(dòng)性和環(huán)境適應(yīng)能力[1]。移動(dòng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)方式主要分為主動(dòng)自適應(yīng)和被動(dòng)自適應(yīng)[2]。

主動(dòng)自適應(yīng)移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)傳感器檢測(cè)環(huán)境的變化，并將檢測(cè)結(jié)果傳送至控制單元，經(jīng)控制算法得到輸出指令，改變移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)或運(yùn)動(dòng)模式。較為典型的有美國(guó)iRobot公司的Warrior雙節(jié)履帶機(jī)器人[3]、法國(guó)的B2P2履帶可變形機(jī)器人[4]、韓國(guó)忠南大學(xué)的CALEB-2可變形移動(dòng)機(jī)器人[5]、中科院的“靈蜥”履-腿復(fù)合式機(jī)器人[6]等。這類(lèi)機(jī)器人的機(jī)械部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能適應(yīng)復(fù)雜的地形環(huán)境，且具有確定的運(yùn)動(dòng)，但對(duì)傳感系統(tǒng)的精度要求較高，控制算法相對(duì)復(fù)雜。

被動(dòng)自適應(yīng)是相對(duì)于主動(dòng)自適應(yīng)的一個(gè)概念，目前對(duì)其研究尚處在起步階段。被動(dòng)自適應(yīng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度多于原動(dòng)件數(shù)目，因此能將所在環(huán)境的約束力作為一種有效輸入，從而被動(dòng)地改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)模式?，F(xiàn)有的研究成果主要有中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的NEZA-I輪-履復(fù)合變形移動(dòng)機(jī)器人[7-9]、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院的ROBHAZ-DT2、ROBHAZ-DT3型雙履帶機(jī)器人[10-11]、河北工業(yè)大學(xué)的地震救援機(jī)器人[12-13]等。此類(lèi)移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)具有不確定性；但其驅(qū)動(dòng)部分相對(duì)簡(jiǎn)單，且不需要復(fù)雜的控制算法，制造成本低，更能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，故受到研究人員的關(guān)注。

在總結(jié)以往對(duì)被動(dòng)自適應(yīng)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，提出了一種具有被動(dòng)自適應(yīng)能力的機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)器人具有輪式和履帶式兩種運(yùn)動(dòng)模式，能被動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模式的切換，減少對(duì)傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的依賴(lài)。本文就移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)原理、運(yùn)動(dòng)模式等作了闡述，并通過(guò)建模和仿真對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析、優(yōu)化和驗(yàn)證。

1 移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，機(jī)器人主要由車(chē)體模塊、2個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的輪-履復(fù)合模塊、驅(qū)動(dòng)后輪模塊和輔助底輪系統(tǒng)組成。其中，左右2個(gè)輪-履復(fù)合模塊、驅(qū)動(dòng)后輪的左右兩輪均由相互獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能適應(yīng)復(fù)雜的地面環(huán)境，并可使2種運(yùn)動(dòng)模式產(chǎn)生不同的移動(dòng)速度、輸出功率；輔助底輪系統(tǒng)(圖2)位于機(jī)器人底部，由若干小底輪組成，可增加機(jī)器人對(duì)于小障礙物的通過(guò)性。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of mobile robot

圖2 輔助底輪系統(tǒng)Fig.2 Assisting wheel system

如圖3所示，機(jī)器人的輪-履復(fù)合模塊由一個(gè)自由度為1的等腰梯形結(jié)構(gòu)演化而來(lái)，其中，鉸接點(diǎn)A、B、C、D、搖桿DC、搖桿AB、連桿BC與機(jī)架AD構(gòu)成了基本的等腰梯形結(jié)構(gòu)。前支撐架與后支撐架上安裝有履帶驅(qū)動(dòng)輪、履帶支撐輪，從動(dòng)車(chē)輪通過(guò)一個(gè)固定架與前支撐架相連；輸出軸伸出機(jī)器人的車(chē)體，與前支撐架相連。

1.履帶支撐輪 2. 履帶 3. 后支撐架 4. 驅(qū)動(dòng)模塊 5.連桿 6. 前支撐架 7. 復(fù)位彈簧 8. 履帶驅(qū)動(dòng)輪 9.從動(dòng)車(chē)輪 10. 傳動(dòng)軸圖3 輪-履模塊的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of wheel-track unit

該機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)特征如下：

(1)平整路面上，驅(qū)動(dòng)后輪和從動(dòng)車(chē)輪與地面接觸，機(jī)器人做輪式運(yùn)動(dòng)。

(2)如圖4所示，當(dāng)機(jī)器人在前方遇到障礙物 (如臺(tái)階) 時(shí)，環(huán)境的約束力作為一種輸入，改變機(jī)器人的形狀：等腰梯形結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，即前支撐架抬起，后支撐架落下，彈簧相應(yīng)拉伸并產(chǎn)生回復(fù)力，車(chē)輪脫離地面，履帶的外形輪廓發(fā)生變化。繼而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式由輪式轉(zhuǎn)為履帶式。

(3)當(dāng)機(jī)器人成功翻越障礙并與之脫離后，由于受到彈簧的回復(fù)力，前支撐架落回其初始位置，后支撐架抬起，履帶脫離地面。繼而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換為輪式。

(4)由于輪-履復(fù)合模塊的被動(dòng)變形特性，機(jī)器人能翻越高于自身的障礙物，且機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換不需要人為干涉。

(5)履帶式運(yùn)動(dòng)與輪式運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相互獨(dú)立，能在兩種模式下輸出不同的速度和功率。

圖4 機(jī)器人的越障過(guò)程Fig.4 Obstacle-climbing process of the robot

1.2 動(dòng)力傳遞設(shè)計(jì)

圖5為機(jī)器人輪-履模塊的傳動(dòng)原理圖，伺服電機(jī)M帶動(dòng)錐齒輪B1轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)錐齒輪B2傳遞至主軸，并經(jīng)齒輪G1、G2傳遞至傳動(dòng)軸，再經(jīng)帶輪w1、w2傳遞到履帶驅(qū)動(dòng)輪上。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能使機(jī)器人的輪-履模塊在驅(qū)動(dòng)力和環(huán)境約束力的共同作用下實(shí)現(xiàn)2種運(yùn)動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換。

1.履帶驅(qū)動(dòng)輪 2. 前支撐架 3. 伺服電機(jī) 4. 錐齒輪B15.錐齒輪B2 6. 從動(dòng)車(chē)輪 7. 主軸 8. 齒輪G1 9.帶輪w110. 傳動(dòng)軸 11. 齒輪G2 12. 皮帶 13. 帶輪w2圖5 輪-履模塊的傳動(dòng)原理圖Fig.5 Transmission mechanism of wheel-track unit

如圖6所示，伺服電機(jī)M2輸出的動(dòng)力經(jīng)一對(duì)錐齒輪B3、B4和齒輪G3、G4傳遞至后輪。該后輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的輪式運(yùn)動(dòng)。

1.機(jī)架 2. 齒輪G3 3.齒輪G4 4.后輪 5. 錐齒輪B4 6.錐齒輪B3 7. 伺服電機(jī)圖6 后輪驅(qū)動(dòng)原理Fig.6 Transmission mechanism of driving wheel

2 機(jī)器人輪-履復(fù)合模塊與驅(qū)動(dòng)后輪模塊的參數(shù)分析

2.1 輪-履復(fù)合模塊各參數(shù)的設(shè)計(jì)要求

機(jī)器人在行進(jìn)中遇到障礙時(shí)，會(huì)在約束力的作用下發(fā)生輪-履運(yùn)動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換，此時(shí)履帶的長(zhǎng)度亦會(huì)發(fā)生變化，因此要求：①機(jī)器人在做輪式運(yùn)動(dòng)時(shí)，4個(gè)車(chē)輪始終與地面接觸，履帶完全離開(kāi)地面；②機(jī)器人在做履帶式運(yùn)動(dòng)時(shí)，4個(gè)車(chē)輪完全脫離地面，只有履帶與地面或障礙物等接觸；③在變形過(guò)程中，履帶長(zhǎng)度的變化盡可能小，且履帶驅(qū)動(dòng)輪不發(fā)生卡死或打滑現(xiàn)象。

2.2 輪-履復(fù)合模塊的參數(shù)分析

根據(jù)機(jī)器人輪-履復(fù)合模塊的設(shè)計(jì)要求，對(duì)影響履帶總長(zhǎng)度變化的參數(shù)進(jìn)行分析。如圖7所示，在鉸鏈A(圖3)處建立平面坐標(biāo)系，其中，x軸與OD(機(jī)架)重合。圖7中，A1、A2、A3、A4分別為履帶輪的輪心，A2輪與車(chē)體相連，其余各輪與前后支撐架連接；各履帶輪的半徑均為RT；W1為從動(dòng)車(chē)輪的輪心，其初始位置與A2重合；W2為驅(qū)動(dòng)后輪的輪心，其初始位置與A3重合；前后車(chē)輪半徑均為RW，各參數(shù)含義見(jiàn)表1。

圖7 機(jī)器人參數(shù)Fig.7 Parameters of mobile robot

根據(jù)表1，將A1、A2、A3、A4、W1、W2和鉸鏈B、C、D的位置分別用矢量表示為pA1、pA2、pA3、pA4、pW1、pW2、pB、pC、pD，具體表達(dá)式如下：

pA1=(xA1,yA1)=(acosα-l1cos(θ1-α),

pW1=(xW1,yW1)=(-l2cos(π-α-θ2),

l2sin(π-α-θ2))

(5)

pW2=(xW2,yW2)=(c+l3,0)

(6)

pB=(xB,yB)=(acosα,asinα)

(7)

pC=(xC,yC)=(c-acosβ,asinβ)

(8)

pD=(xD,yD)=(c,0)

(9)

圖7中，從動(dòng)角β隨變形角α的變化而變化，故可將α與β之間的關(guān)系表示出來(lái)：

(10)

代入B、C兩點(diǎn)的位置坐標(biāo)，可得α與β關(guān)系：

2a2cos(α+β)-2ac(cosα+cosβ)=b2-c2-2a2

(11)

即α與β可由一隱函數(shù)關(guān)系式F(α，β)≡0確定。

為了分析履帶的變形情況，需建立履帶長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)模型。設(shè)各履帶輪輪心距離|A1A2|、|A2A3|、|A3A4|、|A4A1|分別為L(zhǎng)1、L2、L3、L4；與4個(gè)履帶輪相接觸部分的履帶長(zhǎng)度為L(zhǎng)C，由于設(shè)定各履帶輪半徑相等，因此LC在變形過(guò)程中保持不變。則履帶總長(zhǎng)度L可表示為

L=L1+L2+L3+L4+LC

(12)

由各輪心位置的幾何關(guān)系可得

2al2cosα-2l1l2cos(α-θ1)

(13)

(14)

(b-c)(l3-l4)-2l3l4

(15)

2ac(cosα+cosβ)-2al1cosθ1-

2a(l1-l4)cos(α+β-θ1)-2al4cos(2β-θ1)-

2cl1cos(α-θ1)+2cl4cos(β-θ1)+2l1l4cos(α-β)

(16)

LC=2πRT

(17)

根據(jù)式(11)，可將履帶的總長(zhǎng)度L表示為α的函數(shù)：

L(α)=L1(α)+L2(α)+L3(α)+L4(α)+LC

(18)

由幾何關(guān)系可知，α角的變化范圍為

(19)

2.3 輪-履復(fù)合模塊參數(shù)的優(yōu)化

為滿足履帶長(zhǎng)度變化的要求，對(duì)輪-履復(fù)合模塊的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有參數(shù)都是可變的，但不必要將其全部列為設(shè)計(jì)變量[14]。連桿機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)按比例變化時(shí)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律不會(huì)改變，根據(jù)機(jī)器人的具體結(jié)構(gòu)并結(jié)合非結(jié)構(gòu)化作業(yè)環(huán)境的要求，將機(jī)架OD的長(zhǎng)度c設(shè)為130 mm；相應(yīng)地，履帶輪的半徑RT設(shè)為18 mm。角度參數(shù)θ1、θ2可由其他參數(shù)表示為

(20)

(21)

從而確定設(shè)計(jì)變量為

X=(l1，l2，l3，l4，a，b)

理論上，履帶總長(zhǎng)度的變化量可以表示為X的函數(shù)，即目標(biāo)函數(shù)為

(22)

而對(duì)于設(shè)計(jì)變量的取值，存在以下約束：

(23)

分析可知，自變量的約束條件均為自身約束，不存在其他的約束方程，故可轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，并在優(yōu)化完成后檢驗(yàn)自變量是否符合要求。由于目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo)復(fù)雜，因此選用坐標(biāo)輪換法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[15]。

根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及先前設(shè)定的已知參數(shù)，選取滿足約束條件的變量初值(單位mm)為

X0=(260，80，115，155，70，40)

在MATLAB中建立履帶長(zhǎng)度L與變形角α的函數(shù)，代入初值X0可求得某范圍內(nèi)履帶長(zhǎng)度L的最值，此時(shí)履帶長(zhǎng)度的最大變形量

min(L(α|X0))=18.266 mm

在MATLAB中建立坐標(biāo)輪換法的優(yōu)化程序，并將變量初值X0輸入并運(yùn)行，可得

Xopt=(212.68，79.87，122.21，149.07，66.01，37.98)

代入前述履帶長(zhǎng)度函數(shù)，可得此時(shí)履帶長(zhǎng)度的最大變化量

ΔL(Xopt)=1.398 mm

將各變量取整數(shù)，即

同樣代入履帶長(zhǎng)度函數(shù)式可得，此參數(shù)下的履帶長(zhǎng)度最大變化量

在MATLAB中運(yùn)行優(yōu)化前后履帶長(zhǎng)度的函數(shù)式可得圖8，優(yōu)化后，履帶長(zhǎng)度的最大值Lmax=945.01 mm，最小值為L(zhǎng)min=943.28 mm，變形率為0.1%，滿足設(shè)計(jì)要求。綜合考慮制造及裝配精度等因素，履帶的實(shí)際長(zhǎng)度L取945 mm。

圖8 優(yōu)化前后履帶的長(zhǎng)度Fig.8 Track lengthbefore and after the optimization

2.4 驅(qū)動(dòng)后輪和從動(dòng)車(chē)輪參數(shù)分析

如圖9所示，由履帶輪輪心A2、A3的位置坐標(biāo)，可得出通過(guò)這兩點(diǎn)的直線方程：

改寫(xiě)為一般式：

kx1-y1+kl2=0

(24)

圖9 車(chē)輪的參數(shù)Fig.9 Parameters of the wheels

根據(jù)所設(shè)定的履帶輪尺寸，選定履帶厚度dT=10 mm，將履帶輪A2、A3與履帶相接觸部分的外圓弧所在的圓作為兩輪的當(dāng)量外圓。現(xiàn)定義一直線A20A30：機(jī)器人變形過(guò)程中，此直線始終與兩當(dāng)量外圓相切(下方)，切點(diǎn)分別為A20、A30兩點(diǎn)(動(dòng)點(diǎn))。隨著履帶變形，直線A20A30與兩履帶輪A2、A3中心的連線A2A3始終平行，且兩直線間的距離d0=dT+RT=28 mm，則根據(jù)A2、A3兩點(diǎn)的位置坐標(biāo)，可得直線A20A30的方程：

(25)

其中，k1、k2為直線方程的系數(shù)。進(jìn)而可得出兩車(chē)輪輪心W1、W2到直線A20A30的距離hW1(α)和hW2(α)：

(26)

(27)

(1)由幾何關(guān)系可得，在初始狀態(tài)下，變形角α=45.54°，從動(dòng)車(chē)輪與驅(qū)動(dòng)后輪輪心連線W1W2、直線A20A30均與地面平行，若此時(shí)直線A20A30與地面距離為hT0，則RW應(yīng)滿足：

RW=RT+dT+hT0

(28)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將hT0設(shè)為10 mm，從而可得車(chē)輪半徑RW=38 mm。

(2)當(dāng)從動(dòng)車(chē)輪與驅(qū)動(dòng)后輪開(kāi)始脫離地面時(shí)，令hW1(α)=hW2(α)=RW，滿足條件的解α1=38.66°和α2=38.98°，即當(dāng)變形角α由大變小時(shí)，驅(qū)動(dòng)后輪先于從動(dòng)車(chē)輪脫離地面，故機(jī)器人處在輪式運(yùn)動(dòng)和履帶式運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)，變形角α=α1=38.66°。

(3)當(dāng)機(jī)器人的履帶變形到達(dá)極限位置，即OB與BC重合時(shí)，由幾何關(guān)系可得α=30.24°，此時(shí)hW1(α)=49.58 mm，hW2(α)=41.48 mm，這兩個(gè)值是變形過(guò)程中兩輪心位置W1、W2所達(dá)到的最大離地高度。

3 機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)的仿真分析

3.1 輪-履復(fù)合模塊參數(shù)的仿真分析

圖10 從動(dòng)角β和長(zhǎng)度L1、L2、L4隨變形角α的變化Fig.10 Slave angle β and the length L1, L2, L4vary with the deformation angle α

圖11 履帶長(zhǎng)度L隨變形角α變化曲線Fig.11 Track length L varies with the angle α

根據(jù)第2節(jié)中優(yōu)化后的各機(jī)構(gòu)參數(shù)，在多剛體動(dòng)力學(xué)軟件中對(duì)機(jī)器人輪-履復(fù)合模塊進(jìn)行建模，并對(duì)機(jī)器人的履帶變形過(guò)程進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可得出從動(dòng)角β和長(zhǎng)度L1、L2、L4隨變形角α變化的關(guān)系曲線(圖10)，以及變形過(guò)程中履帶總長(zhǎng)度L隨變形角α變化的關(guān)系曲線 (圖11)。由圖10可以看出，當(dāng)變形角α由初始值45.54°減小至變形極限位置的30.24°時(shí)，從動(dòng)角β與履帶L1段的長(zhǎng)度逐漸增大，履帶L2、L4段的長(zhǎng)度逐漸減小。在履帶變形過(guò)程中，其總長(zhǎng)度L取最小值時(shí)，α=30.24°，L=943.28 mm；履帶長(zhǎng)度L取最大值時(shí)，α=39.39°，L=945.01 mm。可以看出，所得仿真結(jié)果與預(yù)計(jì)結(jié)果基本相符。

3.2 驅(qū)動(dòng)后輪與從動(dòng)車(chē)輪參數(shù)的仿真分析

履帶變形仿真過(guò)程中，從動(dòng)車(chē)輪輪心W1、驅(qū)動(dòng)后輪輪心W2的離地高度分別為D1和D2，D1、D2隨變形角α變化的曲線如圖12所示。由圖12可得，當(dāng)機(jī)器人處于輪式運(yùn)動(dòng)即α∈(38.98°，45.54°]時(shí)，從動(dòng)車(chē)輪與驅(qū)動(dòng)后輪始終與地面相接觸，兩輪心離地高度D1、D2滿足：D1=D2=RW=38 mm。α=38.98°時(shí)，驅(qū)動(dòng)后輪開(kāi)始脫離地面，從動(dòng)車(chē)輪仍然與地面接觸；α=38.66°時(shí)，從動(dòng)車(chē)輪開(kāi)始脫離地面，此時(shí)為機(jī)器人輪式和履帶式運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)；α∈[30.24°，38.66°)時(shí)，機(jī)器人履帶式運(yùn)動(dòng)，輪心W1、W2的離地高度D1、D2隨變形角α的減小而增大。

圖12 離地高度D1、D2隨變形角α的變化Fig.12 Ground height D1, D2 varies with the deformation angle α

對(duì)機(jī)器人履帶變形過(guò)程仿真，可得一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示，在整個(gè)變形過(guò)程中，履帶長(zhǎng)度L變化滿足要求，前后組車(chē)輪能按照要求與地面脫離。

表2 變形過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)值

4 結(jié)論

(1)本文提出了一種具有被動(dòng)自適應(yīng)能力的可變形移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人具有輪式和履帶式兩種運(yùn)動(dòng)模式，能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境。對(duì)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)做了介紹并分析了其被動(dòng)自適應(yīng)原理。

(2)結(jié)合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)建模、分析和優(yōu)化，確定了機(jī)器人輪-履復(fù)合模塊和驅(qū)動(dòng)后輪模塊的參數(shù)；對(duì)機(jī)器人履帶變形過(guò)程進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇的合理性。

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(編輯 張 洋)

Design and Parametric Analyses of a Wheel-track Robot with Self-adaptive Ability

LI Fan ZHANG Minglu LYU Xiaoling TIAN Ying BAI Feng

School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin,300130

Concept of a wheel-track robot was proposed with passive self-adaptive ability. When confronted with constraints like stairs or trenches, the robot could autonomously switch its locomotion mode by transforming track configuration. Thus, obstacles higher than the robot could be climbed. The wheel-track robot was driven by two separate servo systems to adapt with different terrains. Having built a model of the robot, the parametric analysis and optimization were conducted. At last, the simulation was performed and it shows that the results accord with the designing purposes.

self-adaptive; wheel-track mode; mechanism design; parametric analysis

許少坤，男，1989年生。昆明理工大學(xué)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究所碩士研究生。主要研究方向?yàn)橹悄苤圃?、?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。陰艷超(通信作者)， 女，1977年生。昆明理工大學(xué)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究所副教授。E-mail：yinyc@163.com。姬常杰，男，1990年生。昆明理工大學(xué)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究所碩士研究生。牛紅偉，男，1992年生。昆明理工大學(xué)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造研究所碩士研究生。

2016-06-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61473113)；河北省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(15211832)

TP242

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.08.004