履帶式機(jī)器人的穩(wěn)定性分析

林偉芬+龍石鋒

摘 要：從工業(yè)革命到21世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得我們?nèi)祟悓?duì)于機(jī)器人這一方面的研究深入，履帶式移動(dòng)機(jī)器人在各方面的優(yōu)點(diǎn)日益明顯。如當(dāng)我們?cè)趶氖乱恍┪ｋU(xiǎn)的工作時(shí)，如勘測(cè)排爆反恐等，我們可以利用機(jī)器人來(lái)安全有效的展開工作。同時(shí)機(jī)器人的產(chǎn)生節(jié)約了勞動(dòng)力，提高了工作的效率。在爬坡跨越障礙和過(guò)一些危險(xiǎn)地段時(shí)，履帶式機(jī)器人體現(xiàn)出它的優(yōu)越之處，因此在部隊(duì)、公安、消防、工業(yè)及人員生命救助等方面有著廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：履帶式；機(jī)器人；穩(wěn)定性

機(jī)器人的穩(wěn)定性分析

履帶式機(jī)器人行進(jìn)時(shí)，當(dāng)遇到斜坡或者平面上一些比較凹凸不平的地面時(shí)，它的行進(jìn)將會(huì)受到阻礙，能否保持穩(wěn)定是履帶式機(jī)器人研究的基礎(chǔ)和前提。因此，分析其穩(wěn)定性是履帶式機(jī)器人這項(xiàng)研究的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

履帶式機(jī)器人的穩(wěn)定性含義：在平面和一定的斜面上，履帶式機(jī)器人能保證不隨意滑動(dòng)或者翻倒且能保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)的性能。所以對(duì)于履帶式機(jī)器人來(lái)說(shuō)，它的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。機(jī)器人的穩(wěn)定性分析分為兩個(gè)方面，一個(gè)是橫向穩(wěn)定性分析，另一個(gè)則是縱向穩(wěn)定性分析。下面我們來(lái)做具體的分析。

橫向穩(wěn)定性

履帶式機(jī)器人的橫向穩(wěn)定性是指機(jī)器人在斜坡上是否沿著橫坡滑動(dòng)或者橫向傾翻。當(dāng)機(jī)器人不發(fā)生上述情況時(shí)說(shuō)明此時(shí)的橫向穩(wěn)定性較好。當(dāng)機(jī)器人在斜坡上保持穩(wěn)定時(shí)，它的受力情況如圖所示。

B——機(jī)器人兩導(dǎo)軌的軌距

B——機(jī)器人履帶的接地寬度

Β——橫坡角度

E——機(jī)器人重心離開縱向的垂直面的偏移距離

Y1 ， Y2——兩履帶受到的地面垂直反力

Z1， Z2——地表作用于履帶上的與坡面平行的力

當(dāng)機(jī)器人在斜坡上剛好沿向橫向翻傾時(shí)，我們選擇這一臨界狀態(tài)進(jìn)行分析，此時(shí)機(jī)器人的右側(cè)不再受力，所以地面反力Y1為零。而此時(shí)整個(gè)機(jī)器人都往它的左邊履帶壓，使得它的重力對(duì)其左邊的履帶的下邊緣作用，此時(shí)我們對(duì)地面反力Y2取矩可知：

由上式可得到機(jī)器人的橫向極限坡度角 為：

當(dāng)機(jī)器人開始橫坡下滑時(shí)，有

由上式可得到：

——履帶式機(jī)器人在水平方向上的附著系數(shù)。

由上式可以得出履帶式機(jī)器人在斜坡上不發(fā)生橫向滑動(dòng)的條件是：履帶機(jī)器人的橫向附著系數(shù)應(yīng)大于橫坡角的正切值。

通過(guò)對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性分析我們可以得總結(jié)出這一結(jié)論：履帶式機(jī)器人的穩(wěn)定性受到它自身的總體大小和尺寸以及機(jī)器人重心的位置的影響（不包括其他因素對(duì)其穩(wěn)定性造成的影響）。因此，在實(shí)際的機(jī)器人研究中，如果想要使履帶式機(jī)器人的穩(wěn)定性更好，合理設(shè)計(jì)機(jī)器人的尺寸和大小以及調(diào)整好它的重心位置是一個(gè)比較可行的方法。

縱向穩(wěn)定性

機(jī)器人的極限坡度角和極限下滑角是縱向穩(wěn)定性的基本分析標(biāo)準(zhǔn)

上圖為履帶式機(jī)器人的極限坡度角，在機(jī)器人上坡的時(shí)候，當(dāng)機(jī)器人的重心在后輪的后面時(shí)，機(jī)器人的受力不平衡，從而導(dǎo)致車身向后發(fā)生傾翻。從上述條件可以計(jì)算出機(jī)器人的上坡時(shí)的極限坡度角 。

同理我們可以計(jì)算出機(jī)器人下坡時(shí)的極限坡度角 。

L為機(jī)器人履帶的接地長(zhǎng)度。則它的的極限下滑角 為：

存在的問(wèn)題

能源問(wèn)題。如今，電子技術(shù)的發(fā)展雖然較快，但電池的技術(shù)卻沒(méi)有和電子技術(shù)達(dá)到一致，因此現(xiàn)在的電池能源的儲(chǔ)能和體積無(wú)法達(dá)到一個(gè)良好的狀態(tài)。

體積與重量無(wú)法協(xié)調(diào)好，導(dǎo)致了生產(chǎn)成本過(guò)高，同時(shí)也使機(jī)器人不夠靈活，不利于正常展開工作。

控制方法應(yīng)當(dāng)優(yōu)化，以到達(dá)比較好的效果。

相對(duì)于大部分類型的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，履帶式機(jī)器人的穩(wěn)定性稍差。

應(yīng)用方面

我們的便捷式履帶代步機(jī)器人的設(shè)計(jì)初衷是根據(jù)我國(guó)的社會(huì)老齡化日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，為解決中老年人的出行問(wèn)題而進(jìn)行設(shè)計(jì)研究的一款產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有攜帶方便，操作簡(jiǎn)單，動(dòng)力強(qiáng)勁，安全、綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，解決了老年人出門出行不方便的問(wèn)題。該產(chǎn)品既能夠作為代步工具，方便中老年人出行，又能夠運(yùn)載少量貨物，為人們的出行減輕負(fù)擔(dān)，從而使社會(huì)更加和諧。

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