雙履帶機器人移動系統(tǒng)爬樓性能研究

施曉東

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300450）

1 概述

近年來，隨著科技的進步，機器人技術(shù)得到了快速發(fā)展，巡檢機器人作為服務(wù)類機器人的一種，在園區(qū)、銀行、社區(qū)、商場、機場、倉庫、?；髽I(yè)等重要場景起到巡邏安防作用。巡檢機器人按照移動方式主要分為腿式移動機器人、履帶式移動機器人、輪式移動機器人以及復(fù)合結(jié)構(gòu)移動機器人。其中，腿式移動機器人控制難度大，復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力弱，輪式移動機器人復(fù)雜路況適應(yīng)能力差，復(fù)合結(jié)構(gòu)移動機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高，而履帶式移動系統(tǒng)控制簡單、路況適應(yīng)能力強，成為巡檢機器人移動方式的主要選擇。

本課題提出了一種尺寸嬌小，能夠?qū)崿F(xiàn)爬樓功能的雙履帶機器人移動系統(tǒng)，并對其爬樓過程做了詳細分析，通過樣機測試進一步驗證了雙履帶機器人的爬樓功能。

2 雙履帶機器人移動系統(tǒng)方案設(shè)計

設(shè)計的雙履帶機器人移動系統(tǒng)如圖1 所示，移動系統(tǒng)主要由機械和動力兩部分組成，機械部分主要由車體、履帶、驅(qū)動傳輸裝置、主驅(qū)動輪、負重輪、導(dǎo)向輪、避震器及張緊裝置組成；動力部分主要由伺服電機、蝸輪蝸桿減速機、鋰電池、驅(qū)動器和信號發(fā)送接收裝置組成。移動系統(tǒng)左右兩側(cè)各設(shè)置一套伺服電機和減速機，通過驅(qū)動傳輸裝置分別驅(qū)動對應(yīng)側(cè)履帶旋轉(zhuǎn)。

圖1 雙履帶機器人移動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及渲染圖

表1 雙履帶機器人移動系統(tǒng)參數(shù)表

3 雙履機器人移動系統(tǒng)爬樓過程分析

雙履帶機器人可以實現(xiàn)平穩(wěn)爬樓的條件為移動系統(tǒng)在爬樓過程的任意位置處都能保證履帶與臺階至少有兩點接觸，基于此，將雙履帶機器人爬樓過程大致分為5 個階段：履帶前側(cè)搭上第一節(jié)臺階、履帶與樓梯臺階兩點接觸、履帶與樓梯臺階三點接觸、履帶前側(cè)離開臺階、履帶后側(cè)離開臺階完成爬樓。

圖2 雙履帶機器人爬樓過程分析

雙履帶機器人在爬樓過程中，不產(chǎn)生履帶滑移的條件為：

其中，μ 為履帶與樓梯臺階的摩擦系數(shù)，f 為履帶與樓梯臺階的摩擦力，N 為履帶與臺階接觸點的正壓力。

經(jīng)理論分析，雙履帶機器人在爬樓過程中所需扭矩主要分為機器人越上第一節(jié)臺階和連續(xù)爬樓兩種情況，對這兩種運動狀態(tài)進行受力分析，如圖3 所示：

雙履帶機器人在圖3（a）運動狀態(tài)下的受力情況：

圖3 雙履帶機器人爬樓過程受力分析

其中，f1、f2為樓梯臺階對履帶摩擦力，α 為履帶車與水平面夾角，β 為履帶車前角大小，N1、N2為樓梯臺階對履帶支撐力，L1，L2，L3，L4為履帶車各支點作用力與驅(qū)動輪中心垂直距離，G 為履帶車重力。

4 樣機試驗

為驗證雙履帶機器人爬樓功能及其穩(wěn)定性，對設(shè)計制作的機器人移動系統(tǒng)進行爬樓性能測試，測試樓梯臺階高150mm，寬260mm，整個爬樓過程如圖4 所示：

圖4 雙履帶機器人移動系統(tǒng)爬樓功能測試

測試表明，雙履帶機器人可爬上臺階高150mm，寬260mm的樓梯臺階，爬樓全程雙履帶機器人車體底部未觸及臺階，整個過程運行平穩(wěn)，沒有明顯顛簸。

5 結(jié)論

本文提出了一種雙履帶機器人移動系統(tǒng)，并對其爬樓過程進行了動作分解及受力分析，通過現(xiàn)場測試表明設(shè)計的雙履帶機器人移動系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)爬樓功能，雙履帶機器人移動系統(tǒng)通過搭載不同功能模塊，可制作不同用途的移動機器人，具有廣闊的市場前景。