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    助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的數(shù)值仿真分析

    2019-06-29 22:27:06李曉東謝有浩李俊吳正宇張珂
    企業(yè)科技與發(fā)展 2019年12期
    關(guān)鍵詞:數(shù)值仿真

    李曉東 謝有浩 李俊 吳正宇 張珂

    【摘 要】針對(duì)助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)輪履的轉(zhuǎn)換效率低及輪履無(wú)法協(xié)同作用的問(wèn)題,提出了一種新的輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)。文章主要對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)及輪履轉(zhuǎn)換工作原理進(jìn)行了研究,并分析了履帶與臺(tái)階接觸的作用,分析了助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的數(shù)值仿真,根據(jù)分析結(jié)果證明了輪履協(xié)同的方式具有更加良好的攀爬能力,說(shuō)明助老助殘輪履協(xié)同平臺(tái)具有一定的實(shí)用性。

    【關(guān)鍵詞】輪履協(xié)同;助老助殘;數(shù)值仿真

    【中圖分類號(hào)】TP23 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688(2019)12-0064-02

    輪履式移動(dòng)平臺(tái)有輪履復(fù)合式及輪履變結(jié)構(gòu)。后者移動(dòng)平臺(tái)輪履采用整體設(shè)計(jì),輪履的轉(zhuǎn)換會(huì)相對(duì)較慢,所以選擇彈性履帶。由于輪履式移動(dòng)平臺(tái)對(duì)于履具有非常高的要求,在使用的過(guò)程中,履帶與地面會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)間的接觸,所以履帶會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損;而輪履復(fù)合移動(dòng)平臺(tái)采用的是分開設(shè)計(jì)輪和履的形式,所以輪履復(fù)合移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,并且在安裝與維護(hù)方面的速度和便捷性也更加良好,但是在攀爬的過(guò)程中,會(huì)出現(xiàn)輪子不產(chǎn)生有效作用的情況。

    1 移動(dòng)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)布局

    1.1 總體結(jié)構(gòu)

    助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)主要包含輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、履帶行走機(jī)構(gòu)、車架、輪式行走機(jī)構(gòu)等,其整體是呈現(xiàn)出左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu),并且采用的是輪履分開設(shè)計(jì)的方式,這種方式更加便于后期的安裝與維護(hù)[1]??傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    移動(dòng)平臺(tái)輪式行走結(jié)構(gòu)采用的是四輪布置的方式,后輪為驅(qū)動(dòng)輪,前輪為萬(wàn)向輪,這種設(shè)置方式會(huì)更加容易實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的差速轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。由連桿組成的輪式行走的結(jié)構(gòu),可以圍繞著輪腿鉸點(diǎn)進(jìn)行擺動(dòng)。用戶對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)具有不同的需求與不同路況,需要采用不同的行走方式,所以要求輪履的轉(zhuǎn)換更加方便[2]。

    履帶行走結(jié)構(gòu)是根據(jù)用戶對(duì)于攀爬臺(tái)階及樓梯的需求,主要是四履帶雙擺臂的結(jié)構(gòu),通過(guò)兩擺臂履帶動(dòng)軸,然后進(jìn)行驅(qū)動(dòng),并且還能夠圍繞主履帶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。此外,基于用戶的需求的考慮,還減小了質(zhì)心波動(dòng)。因?yàn)橄鹉z履帶的減振效果非常好,所以履帶結(jié)構(gòu)使用橡膠履帶是效果最好的。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為內(nèi)履帶齒與驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)嚙合傳動(dòng)的方式,但是履帶棱與地面之間的摩擦力需要進(jìn)行加大。

    1.2 傳動(dòng)布局

    移動(dòng)平臺(tái)需要7個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而履帶行走結(jié)構(gòu)則主要采用的是兩側(cè)主履帶單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的方式,這樣在行走過(guò)程中可以使履帶實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向移動(dòng)。此外,為了兩擺臂的擺角能夠?qū)崿F(xiàn)一致性,需要擺臂履帶同軸驅(qū)動(dòng)。

    移動(dòng)平臺(tái)輪式行走機(jī)構(gòu)主要是兩驅(qū)動(dòng)輪單獨(dú)驅(qū)動(dòng),這種方式會(huì)使得移動(dòng)平臺(tái)輪式行走向差速轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換更加方便快捷。除此之外,考慮到移動(dòng)平臺(tái)自鎖及移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸在攀爬臺(tái)階及樓梯等障礙過(guò)程中的問(wèn)題,履帶行走機(jī)構(gòu)中的全部驅(qū)動(dòng)都是采用蝸輪蝸桿直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式[3]。

    2 輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

    2.1 輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

    本研究中有一個(gè)重難點(diǎn)問(wèn)題,那就是輪式行走姿態(tài)要如何實(shí)現(xiàn)快速地轉(zhuǎn)換向履帶行走姿態(tài),因此,助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)中的核心機(jī)構(gòu)對(duì)于輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)有了很好的證明。

    由平面四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形之后能夠獲得移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。因?yàn)槠矫嫠倪B桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,并且運(yùn)動(dòng)方面十分靈活,所以可以通過(guò)平面四連桿機(jī)構(gòu)使輪式行走快速實(shí)現(xiàn)向履帶行走的轉(zhuǎn)換。此外,轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的部件很多,其中的腿桿、拉桿、車架、推桿之間相互進(jìn)行鉸接之后,可以構(gòu)成平面四連桿機(jī)構(gòu)。

    2.2 工作原理

    在向履帶行走姿進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過(guò)程中,輪式行走姿態(tài)的轉(zhuǎn)換絲杠步進(jìn)電機(jī)會(huì)推動(dòng)推桿進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng),通過(guò)利用擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)可以將平面四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形。然后在腳桿的帶動(dòng)下車架下沉。轉(zhuǎn)換絲杠步進(jìn)電機(jī)則利用推桿繼續(xù)運(yùn)動(dòng),直到車輪與地面之間形成抬高的動(dòng)作。這樣就可以使移動(dòng)平臺(tái)輪式的行走姿態(tài)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換向履帶行走姿態(tài)的過(guò)程。

    當(dāng)車輪之間與地面具有一定高度時(shí),可以單獨(dú)控制前后輪腿的擺動(dòng)角度,因此需要根據(jù)具體情況調(diào)整車輪與地面之間的距離。在輪式行走的過(guò)程中,擺臂履帶呈現(xiàn)的是收回的狀態(tài);而履帶行走姿態(tài)下的擺臂履帶是能夠前伸的,并且擺臂履帶與主履帶能夠形成前攻角,從而使得履帶的攀爬能力提高[4]。

    3 數(shù)值仿真分析

    為了對(duì)輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)攀爬臺(tái)階及樓梯的性能進(jìn)行更層次的探討,采用數(shù)值仿真分析的方法,查看助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)攀爬方式的具體數(shù)值[5]。移動(dòng)平臺(tái)主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

    4 總結(jié)

    綜上所述,隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展,傳統(tǒng)的助老助殘輪履復(fù)合移動(dòng)平臺(tái)輪履轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)漸漸地顯現(xiàn)出許多的缺點(diǎn)。例如,在臺(tái)階和樓梯的攀爬過(guò)程中,輪履之間無(wú)法良好協(xié)同、工作效率低等。因此,本文基于此提出了助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)。首先對(duì)履帶與樓梯踏步接觸的作用進(jìn)行了分析;其次提出了移動(dòng)平臺(tái)在攀爬過(guò)程中不產(chǎn)生滑移的條件,并以此作為移動(dòng)平臺(tái)在攀爬過(guò)程中的前提;最后進(jìn)行了數(shù)值仿真分析,根據(jù)數(shù)據(jù)可以得知研究中提出的助老助殘輪履協(xié)同移動(dòng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)輪履協(xié)同運(yùn)動(dòng),并且攀爬能力更好。

    參 考 文 獻(xiàn)

    [1]李海泓.輪履變結(jié)構(gòu)反恐機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

    [2]田海波,馬宏偉,張一澍,等.輪履復(fù)合式機(jī)器人設(shè)計(jì)及其可包容地形分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2014(9).

    [4]田海波,方宗德,楊坤,等.輪腿式機(jī)器人設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2010(6).

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