分析履帶機(jī)器人越障能力優(yōu)化

褚鳳龍

摘要：對(duì)于履帶機(jī)器人來(lái)講，越障能力的優(yōu)化是其性能升級(jí)的關(guān)鍵。以此為中心進(jìn)行詳細(xì)研究，根據(jù)在履帶擺臂機(jī)器人為研究對(duì)象，分析機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)與運(yùn)行原理，及時(shí)做好越障性能測(cè)試，以此達(dá)到升級(jí)履帶機(jī)器人的目的。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)原理;越障性能;仰角計(jì)算;中心速度

0? 引言

越來(lái)越多的行業(yè)開始應(yīng)用履帶機(jī)器人，減輕人力勞動(dòng)的壓力，提高工作效率。履帶機(jī)器人在實(shí)際工作中，需要鋪設(shè)較長(zhǎng)的電纜，設(shè)置大范圍電磁屏蔽，遇到各種障礙，為履帶機(jī)器人工作帶來(lái)難題。如部分地下電纜檢查中，履帶機(jī)器人工作期間頻繁遇到障礙，如果不能很好地解決其越障能力，會(huì)威脅到履帶機(jī)器人的工作安全。越障能力的優(yōu)化，涉及到機(jī)器人結(jié)構(gòu)性能、設(shè)計(jì)參數(shù)以及越障性能等內(nèi)容，因此在研究上具有一定難度，是當(dāng)前履帶機(jī)器人創(chuàng)新的重要課題。根據(jù)履帶式擺臂機(jī)器人展開越障能力優(yōu)化研究，為履帶機(jī)器人越障能力提升以及未來(lái)發(fā)展提出科學(xué)建議。

1? 剖析履帶式擺臂機(jī)器人結(jié)構(gòu)

履帶式擺臂機(jī)器人，主要包括氣體檢測(cè)裝置、控制電路、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、關(guān)節(jié)搖臂、履帶移動(dòng)式底盤、可控制云臺(tái)、傳感系統(tǒng)、前后驅(qū)動(dòng)輪、移動(dòng)殼體、電源系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)等。履帶機(jī)器人實(shí)際工作中必須及時(shí)進(jìn)行氣體檢測(cè)，及時(shí)統(tǒng)計(jì)工作環(huán)境的溫度、濕度與氣體等參數(shù)變化，所以擺臂必須做到全方位移動(dòng)[1]。帶動(dòng)檢測(cè)攝像機(jī)隨時(shí)對(duì)周圍環(huán)境加以探查，并且能夠靈活轉(zhuǎn)換檢測(cè)角度。履帶式擺臂機(jī)器人工作環(huán)境復(fù)雜，特別是在電纜檢查工作中，會(huì)面臨爬樓梯、越過(guò)不同障礙區(qū)等現(xiàn)象，基本結(jié)果設(shè)計(jì)中增加履帶前角，加強(qiáng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊性，分別設(shè)置兩個(gè)直流電機(jī)模塊，強(qiáng)化防水能力，更好的完成涉水環(huán)境下的工作。機(jī)器人主要材料為鋁合金，總重量?jī)H為13kg。整體結(jié)構(gòu)為全封閉式，兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪分別屬于兩個(gè)電機(jī)，以此做到電纜檢測(cè)中不同方向的不同檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)。面對(duì)電纜檢測(cè)中的障礙區(qū)，通過(guò)前臂及時(shí)越過(guò)[2]。

2? 履帶擺臂機(jī)器人運(yùn)行原理分析

優(yōu)化履帶擺臂機(jī)器人越障性能，必須掌握履帶擺臂機(jī)器人在工作中的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)原理。從水平面運(yùn)動(dòng)、制定越障路徑等方面展開研究。

2.1 機(jī)器人水平運(yùn)行原理

機(jī)器人正常工作以水平運(yùn)動(dòng)為主，水平運(yùn)動(dòng)中，履帶機(jī)器人正常工作中關(guān)節(jié)履帶、水平地面不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度滑動(dòng)現(xiàn)象，這期間履帶機(jī)器人的運(yùn)行速度為0，并且履帶機(jī)器人速度、輪軸中心速度始終保持一致[3]。履帶機(jī)器人正常水平運(yùn)動(dòng)期間參數(shù)包括履帶機(jī)器人左側(cè)履帶輪中心速度、角速度，分別為Vt、Ct;右側(cè)履帶輪中心速度、角速度分別為Vr、ωr 。根據(jù)履帶擺臂機(jī)器人工作期間水平面到履帶輪中心點(diǎn)之間的距離r，計(jì)算左側(cè)、右側(cè)履帶輪中心速度公式如下：

根據(jù)計(jì)算公式得到的兩側(cè)中心點(diǎn)間距，得到履帶機(jī)器人整體運(yùn)行中中心點(diǎn)Oc距離，計(jì)算瞬時(shí)速度V。計(jì)算公式如下：

履帶機(jī)器人在工作期間，將其視為單獨(dú)在個(gè)體，結(jié)合計(jì)算得到的角速度，得到整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的角速度，計(jì)算公式為：

瞬時(shí)加速度Oc中心點(diǎn)位置角速度為ω，機(jī)器人工作中中心線距離為d。下列公式：

履帶擺臂機(jī)器人在原來(lái)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)彎基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)彎半徑出現(xiàn)變化，為：

機(jī)器人受到數(shù)據(jù)變化的影響，運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)形式，這期間圓周運(yùn)動(dòng)的變化受到角速度變化的影響會(huì)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.2 履帶擺臂機(jī)器人越障路徑規(guī)劃

履帶擺臂機(jī)器人工作中需要結(jié)合實(shí)際情況規(guī)劃合理的越障路徑，要求必須參考其越障運(yùn)動(dòng)學(xué)展開。尤其是地下電纜通道檢測(cè)工作，電纜布置復(fù)雜，工作環(huán)境特殊，在這種情況下，必須不斷提高擺臂機(jī)器人的越障能力，規(guī)劃科學(xué)有效的越障路徑[4]。履帶擺臂機(jī)器人越障在機(jī)器人電機(jī)提供的動(dòng)力支持下，擺臂會(huì)根據(jù)越障路徑及時(shí)調(diào)整，協(xié)助機(jī)器人順利越過(guò)檢測(cè)中的障礙。結(jié)合電纜通道中的一級(jí)臺(tái)階為越障研究參考，清晰掌握機(jī)器人越障期間的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理。

電纜通道中會(huì)根據(jù)電纜施工情況設(shè)計(jì)不同的臺(tái)階，履帶擺臂機(jī)器人檢測(cè)電纜期間必須具備能夠越過(guò)臺(tái)階的能力，這種越障要求機(jī)器人及時(shí)攀爬，具體包括兩個(gè)方向，正向與反向。機(jī)器人攀爬能力設(shè)計(jì)離不開質(zhì)心位置的確定，與其他機(jī)器人不同，履帶擺臂機(jī)器人的質(zhì)心較為前傾，位于前擺臂位置。機(jī)器人擺臂不是很長(zhǎng)，反而為其攀爬臺(tái)階創(chuàng)造了有利條件，不會(huì)受到自身外體結(jié)構(gòu)的影響。越過(guò)障礙之前在，機(jī)器人需要將前擺臂驅(qū)動(dòng)，擺臂受到主機(jī)動(dòng)力作用成順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，為機(jī)器人履帶前輪的抬起提供動(dòng)力，確保其達(dá)到越過(guò)障礙的高度。主驅(qū)動(dòng)作用下機(jī)器人不斷前進(jìn)，電機(jī)為履帶轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，隨即攀爬到一級(jí)臺(tái)階的前沿位置。這時(shí)候履帶機(jī)器人的擺臂開始轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)方式，從順時(shí)針變?yōu)槟鏁r(shí)針，機(jī)器人履帶前輪高度開始下降，隨即與臺(tái)階水平契合，順利前進(jìn)到臺(tái)階前方邊沿，隨后降低前進(jìn)高度順利越過(guò)臺(tái)階障礙[5]。這種越障設(shè)計(jì)主要以單機(jī)臺(tái)階為主。履帶機(jī)器人在反向攀爬中，驅(qū)動(dòng)輪O1受到擺臂的影響，轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)中心到機(jī)器人后身非驅(qū)動(dòng)輪O2位置，擺臂變換支撐中心點(diǎn)，抬起機(jī)器人履帶前輪，隨后機(jī)器人進(jìn)入到整體擺起形態(tài)中。以運(yùn)動(dòng)學(xué)原理為基礎(chǔ)，前輪并沒有正常抬起，以中心點(diǎn)位置創(chuàng)建機(jī)器人運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，XO1Y，XO2Y。計(jì)算履帶擺臂機(jī)器人越障期間前后輪間距變化I0。機(jī)器人越障中擺臂長(zhǎng)度受非驅(qū)動(dòng)履帶輪O2、擺臂前端中心O3的影響下，長(zhǎng)度變?yōu)镮1。這時(shí)候取坐標(biāo)系中（I，h）作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)質(zhì)心坐標(biāo)G。履帶擺臂機(jī)器人質(zhì)量較輕，因此不會(huì)對(duì)質(zhì)心坐標(biāo)造成明顯影響，因此運(yùn)動(dòng)原理研究中可以忽略質(zhì)量這一影響因素。

履帶擺臂機(jī)器人按照運(yùn)動(dòng)原理要求制定越障路徑，期間注意其擺臂的正常工作需要非驅(qū)動(dòng)履帶輪的帶動(dòng)，所以一定要及時(shí)觀察驅(qū)動(dòng)輪、非驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)行情況，從而明確擺臂工作中履帶機(jī)器人前端中心點(diǎn)，確保履帶擺臂機(jī)器人能夠運(yùn)力抬起前端履帶輪，做好前期越障準(zhǔn)備[6]。履帶機(jī)器人越障中前身抬起，接觸臺(tái)階的瞬間會(huì)形成水平面夾角，該夾角α范圍在0-π之間，此夾角是水平面與驅(qū)動(dòng)輪、非驅(qū)動(dòng)輪之間，此外包會(huì)形成非驅(qū)動(dòng)輪、擺臂前端中心與水平面的夾角，此夾角為β。對(duì)于履帶擺臂機(jī)器人來(lái)講，本體俯角為α，客觀夾角為β，并且屬于固定值，，機(jī)器人質(zhì)心G坐標(biāo)如下：

將其簡(jiǎn)化處理為：

在此坐標(biāo)中，受到實(shí)際工作環(huán)境的影響，履帶擺臂機(jī)器人越障期間，運(yùn)動(dòng)軌跡在前輪作用下，形成圓形運(yùn)動(dòng)軌跡，其中圓心為（I0，O），半徑為，這個(gè)圓便是越障最佳軌跡參考。越障期間機(jī)器人身體上揚(yáng)，與水平面形成仰角，這個(gè)仰角α的范圍必須控制在π/2之間，否則機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平衡性會(huì)被破壞，甚至越障期間會(huì)出現(xiàn)傾覆事故。正因如此，機(jī)器人越障路徑規(guī)劃期間，必須滿足如下條件：

坐標(biāo)系中在仰角隨著坐標(biāo)系中數(shù)值的變化而變化，兩者成正比例關(guān)系。當(dāng)然還要注意：

上述條件找中，l4為代表擺臂前端中心與Y軸之間的距離，l4=，將攀爬越障的支點(diǎn)設(shè)定為O3，履帶擺臂機(jī)器人在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，抬起非驅(qū)動(dòng)輪，完成攀爬行為。當(dāng)然如果l4代表的是擺臂前端中心與X軸之間的距離，機(jī)器人遇到臺(tái)階無(wú)法抬動(dòng)前驅(qū)動(dòng)輪，不能順利攀爬。攀爬運(yùn)動(dòng)中注意，驅(qū)動(dòng)輪、橫坐標(biāo)X之間成正比例關(guān)系，并且不會(huì)出現(xiàn)臨界點(diǎn)傾覆現(xiàn)象。在這樣的條件下，準(zhǔn)確得到履帶擺臂機(jī)器人前傾中仰角與極限是變化關(guān)系為α1：αx。其中：

越障路徑制定中，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪被抬起，擺臂做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，其與水平面的距離必須控制在機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)要求范圍內(nèi)，否則驅(qū)動(dòng)輪會(huì)受到結(jié)構(gòu)平衡性的影響，不能順利越過(guò)障礙[7]。此設(shè)計(jì)的完成，需要保證機(jī)器人與水平面投影相對(duì)應(yīng)，由此得到仰角α2。攀爬路徑設(shè)定期間，需計(jì)算α1、α2的平均值，將其設(shè)定為攀爬仰角數(shù)值。

根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)原理分析，制定行之有效的越障路徑，科學(xué)規(guī)避越障期間的不利因素，控制好機(jī)器人越障角度，保證機(jī)器人順利完成攀爬運(yùn)動(dòng)。

3? 履帶擺臂機(jī)器人越障性能綜合測(cè)試

履帶擺臂機(jī)器人越障，結(jié)合其運(yùn)動(dòng)原理以及工作條件，準(zhǔn)確計(jì)算出仰角數(shù)值，并且計(jì)算需要攀爬的斜坡高度與寬度，及時(shí)對(duì)越障性能加以測(cè)試，詳細(xì)記錄測(cè)試系數(shù)，為最終越障的完成提供準(zhǔn)確參考。此次測(cè)試的工作環(huán)境為三層高臺(tái)，機(jī)器人樣機(jī)長(zhǎng)和寬分別為40cm、32cm，高臺(tái)的高度為35cm。機(jī)器人的擺臂為32cm。越障測(cè)試中為了更好的降低高臺(tái)中管道對(duì)機(jī)器人的影響，保證機(jī)器人越障靈活性，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行鋁合金材料加工處理，機(jī)器人總重量達(dá)從12kg變?yōu)?3kg。履帶擺臂機(jī)器人越障之前，輸入β、α1、α2、αmin相關(guān)數(shù)值，記錄攀爬期間穩(wěn)定性最理想的高度，完成攀爬能力測(cè)試。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，履帶擺臂機(jī)器人是當(dāng)前電纜檢查的重要工作力量，履帶擺臂機(jī)器人在工作中必須具備很強(qiáng)的越障能力，能夠克服工作中遇到的障礙，這樣才能確保檢測(cè)工作順利，工作效率得到提高。根據(jù)實(shí)際工作情況掌握最佳越障路徑以及越障相關(guān)數(shù)據(jù)，以此來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化擺臂機(jī)器人的攀爬能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂宏宇，錢瑞明.四履帶四擺臂機(jī)器人越障能力分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2019，48（5）.

[2]楊忠炯，李坤霖，周立強(qiáng).礦井環(huán)境探測(cè)機(jī)器人的越障能力分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2019（5）.

[3]徐靜，汪志全，張珠丹.越障機(jī)器人越障循軌技術(shù)的實(shí)地探索與調(diào)試[J].時(shí)代汽車，2017（16）：125-126.

[4]王國(guó)志，李想，鄧斌.一種新型爬纜機(jī)器人的越障能力及夾緊機(jī)構(gòu)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（6）：30-33.

[5]房立金，祝帥，賀長(zhǎng)林.新型四臂巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)向越障研究[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，40（6）：825-830.

[6]臧勇，葛海浪，陶遷.新型全地形機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及越障分析[J].機(jī)電信息，2017（27）：96-97.

[7]王宇，劉泓濱.機(jī)器視覺的救災(zāi)機(jī)器人越障性能分析[J].煤礦機(jī)械，2016，37（7）：92-94.