橡胶履带摆腿复合行走机构建模与研究

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我国煤矿安全形势严峻，亟需设计-种能够代替人深入煤矿井下进行探测、搜救的机器人f”。对-种新型的用于煤矿井下搜救探测机器人的行走机构进行了虚拟样机建模与仿真。

2机器人本体机构设计如图 1所示，机器人采用圆周对称布局。机器人整体结构分三段，左右共六段履带单元通过主双联轮、从双联轮和小轮连结起来，左、右主履带分别驱动，实现装置的灵活转弯，前摆腿单元向上折转可使装置顺利爬上台阶式障碍，后摆腿单元向下折转可使装置平稳地支撑，避免后翻。传感器支撑臂有两个自由度，在电机驱动下可以分别绕垂直轴和水平轴旋转，实现传感器在空间姿态调整日。

1.前摆腿单元 2.主履带单元 3.传感器支撑臂单元4.后摆腿单元 5.双联轮图 1机器人本体结构Fig.1 Robot Ontology Structure3机器人行走机构虚拟样机建模机器人拟采用橡胶履带作为其行走方式，可以采用分段和来稿Et期：2012-11-27基金项目：山西势技攻关项 目20080321009作者简介：5E 铁，1957-，男，博士生导师，主要研究方向：CAD/CAE，动力机械
No.9Sept.2013 机 械 设 计 与制 造 2l5Timesec图7平地转弯电机转矩输出曲线Fig.7 Ground Turning Motor Output Torque Curve以上所说的机器人主驱动电机的转矩指的是直接加到机器人主体与履带轮之间的仿真电机，实际机器人主驱动电机是经过- 级齿轮减速后与履带轮联接起来的，这里的减速比为 41：15，现在我们换算出以上三种情况对实际电机转矩要求进行比较，如表1所示。

表 1三种工况电机转矩需求Tab.1 Three Kinds of Working Conditionof Motor Torque Requirements综上所述，考虑到机器人在峰值转矩下运行时间很少，认为选择某厂生产的步进电机 110byg350dh-SAKSMA-0501可以满足机器人实际运行要求，此步进电机保持转矩为 16N·m，额定转矩 15.6N·m。

5动力学仿真实验5.1平地起步最大加速度与速度将机器人置于水平地面，左右主驱动轮各加42.6N/m由主驱动电机最大转矩换算所得转矩，进行仿真实验，结果如图8所示，图中第-条dot线为机器人质心速度曲线，第二条 dash线为主驱动轮角速度曲线，第三条solid线为主驱动轮角加速度曲线。

从图中我们可以看到机器人质心速度平稳增加，但是驱动轮角速度波动很大，说明机器人在加速的过程中有振动和履带打滑现象 ，经过约 2s的加速之后后 ，机器人速度达到最大，驱动轮角加速度在0附近波动，机器人平稳运行。机器人平地最大速度达到3m/s，即为 10.8km/h，满足设计要求。

以上结果说明所选主驱动电机满足设计要求，在实际控制的时候为了避免打滑和振动，可以根据地面情况选择加速度。以地面摩擦系数 0.73为例，机器人不打滑起步加速度最大值为0.73m/s2，换算为驱动轮角加速度为400.5deg/s 。

图8平地起步加速度Fig.8 Ground Start Acceleration52转弯起步最大加速度将机器人主履带模型置于水平地面，对机器人左右驱动轮分别施加大小相等，方向相反，数值为42.6N/m转矩，进行平地转弯的仿真实验，得到机器人驱动轮角速度和角加速度曲线。

如图9所示 ，机器人在进行动力学转弯时运行很不稳定，角速度与角加速度的剧烈波动说明履带与地面之间有打滑现象，这说明机器人驱动转矩能够满足转弯时的转矩要求，实际进行机器人转弯控制的时候，可以根据地形及需要选择适当的转弯加速度就可以了，建议取值300deg/s 。

J：咄 l n ：岛 /-、 llJt 、， ， 。 . l ，-- 1 T1 .h H l ”Timesec图9平地转弯角速度与角加速度Fig.9 Ground Turning Angular Velocity and Angular Acceleration5.3直行-转弯-直行让机器人主履带模型进行直行0.328m，原地转弯41.1deg，然后再直行 0.328m，对机器人直行及转弯性能进行研究。为了避免速度突变，采用step函数对左右驱动电机驱动。

6O50藿4o30善20100Timesec图 lO直行-转弯-直行电机转矩曲线Fig，lO Straight-Tum - Straight Motor Torque Curve机器人在直行转弯过程中电机转矩图，如图 10所示。从图10中我们可看出电机转矩总体上有 3个波峰，第-个波峰就是机器人在起步加速的过程中的波峰，其最大值接近30N/m，之后转矩输出相对平缓，此时机器人处于匀速直线运动状态，输出转矩的波动主要是由于履带与履带轮不断啮合造成的；第二个波峰，是机器人转弯时电机的转矩，这时不仅输出的转矩比直行时大，而且振荡也更剧烈，从图中我们可以看出，电机转矩总体上都在 42.6N/m以内，但是其转弯时最大瞬时峰值接近 60N/m，这个值已经超出了电机的额定转矩，结合3.1节平地转弯仿真实验，说明机器人转弯时驱动轮转速不能过大，此时驱动轮转速为3.14rad/s，实际控制时机器人转弯速度不宜超过此值；第三个波峰是机器人完成转弯，开始加速直线运动时的转矩，与第-个波峰相似。

5.4越障机器人翻越高为0.3m的障碍物，如图1 1所示。仿真实验表明机器人可以翻越0.3m障碍。此过程中的机器人质心位置曲线与其主驱动电机转矩曲线，如图12所示。其中，第二条dash曲线为机器人质心在竖直方向上的位置曲线，第-条solid曲线为机器人主驱动电机转矩曲线。从图中我们可以看出，机器人能够平-g鼍。p1茸 。 矗 《- 譬 。p扫rJ01。 等-邑口- 羹g∞/嚣∞p口0暑∞-80 黾-n暑c J 5彻 帅 毒薹
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