一种关节式履带移动机器人的爬梯机理分析.pdf

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1、一种关节式履带移动机器人的爬梯机理分析翟旭东，刘荣，洪青峰，渠源(北京航空航天大学机器人研究所，北京100083)MechanismAnalysisonStair—。climbingofArticulated——trackedMobileRobotZHAIXu—along，LIURong，HONGQing—feng，QUYuan(RoboticsInstituteofBeihangUniversity．Beiing100083，China)摘要：通过对自主研制的具有前关节臂履带式确性。移动机器人爬梯机理的分析，提出了同种结构机器1机器人爬梯机理分析人实现连续攀爬楼梯的必要

2、条件，并规划了机器人的爬梯步态，为同类型机器人的结构设计与优化提机器人攀爬楼梯的过程可以分为2个环节，第供了依据。一个环节是如何使机器人翻越第一个台阶面，使机关键词：关节式履带移动机器人；爬梯机理；爬器人完全由地面支撑变为完全由楼梯台阶支撑；第梯步态二个环节是在楼梯上的连续爬行。而这其中最关键中图分类号：TP23也是最难实现的就是第一个环节。理想状态下，第文献标识码：A一环节可由如图1所示的2个步骤实现。第一步，文章编号：1001—2257(2O1O)O1—0062一o3在机器人关节臂搭到台阶面以后，向下摆动关节臂，Abstract：Byanalyzedofstair—c

3、limbingmech—使机器人中间主体的前半部分脱离地面，直到关节anismforarticulated—trackedmobilerobot，neces—臂的下侧履带与主体下侧履带齐平，此时机器人将saryconditionsforrobotclimbingstairinflsucces—由台阶与地面共同支撑；第二步，机器人沿着台阶面sivewaywereproposed，andthegaitofrobot向前行进，直到机器人重心越过台阶面，机器人绕台climbingstairwasprogrammed．Theconclusion阶面瞬间翻转，使机器人完全由楼梯支撑。

4、2个步canprovidereferenceforthesametyperobot’S骤的实现都需要满足一定的几何条件及力学条件。structuraldesignandoptimization．Keywords：articulated—trackedmobilerobot；stair—climbingmechanism；stair—climbinggait0引言随着现代军事的发展和反恐战争需要，移动机器人具有可以执行侦查、巡逻、反恐和排爆等高危险性工作的特点，其应用前景越来越广泛。移动机器人在工作中最常见的障碍就是楼梯，所以攀爬楼梯是移动机器人适应结构化环境所必备的功能。

5、目前现有相关文献主要是关于攀爬楼梯机器人的机械结图1攀爬步骤构和爬梯过程稳定性的研究[1，本文着重分析具如图2所示，设L。为关节臂履带的有效接地长有前关节臂的履带式移动机器人的爬梯机理，以及度；H为台阶的高度，实现第一步的几何条件为：机器人上下楼梯的步态，并通过实验证明分析的正L1>H(1)收疆日期：2009一10—15基金项目：北京市自然科学基金资助项目(8081001)几何条件可描述为只要关节臂履带的有效接地·62·《机械与电子}2010(i)长度大于台阶高度，就可以有一个合适的角度使关台阶的高度、机器人关节臂的长度和重心位置、机器节臂搭到台阶面，从而为把机器人抬离地

6、面做准备。人中间主体长度和重心位置、履带驱动轮半径、关节臂的驱动力矩以及接触面性质有关。关节臂的驱动力矩越大，接触面越粗糙，机器人就越容易实现第一步，而在机器人质量不变的情况下，机器人中间主体的加长、机器人整体重心位置向C点的靠近以及履带驱动轮半径变大，都有利于第一步的实现。在这些因素中，关节臂的长度变化对第一步的影响最复图2脱离地面的几何条件杂。如图4所示，在其它因素都不变的情况下，设关如图3所示，把机器人的力学模型简化为2根节臂的驱动力矩为M，则近似有：相铰接的质杆AB与BC，其中AB为关节臂，BC为机器人中间主体，B点为转动关节。则机器人中间主体脱离地面的瞬间，可描

7、述为杆AB绕A点的转动与杆BC绕动点B转动相结合的过程。以机器人7整体为研究对象，N。为地面对机器人的支撑力；Nz81为台阶面对关节臂的支撑力；G。为机器人中间主体≥J口，，，，，，’，，，，，‘的重力；G：为关节臂的重力；a为机器人中间主体绕B点转动的角加速度；a：为关节臂绕A点转动的图4关节臂长厦变化角加速度；F。与Mx为中间主体的惯性力锻向严其质心一由式(3)可知，必然会有一个合适的关节臂长简化后的惯性力主矢和主矩；Fz与M。为关节臂的L使得N。L。最大，使机器人更容易实现第一步。惯性力向其转动中心简化后的惯性力主矢和主