目前,无论是在军事侦察,还是在灾难探测等各领域中,机器人都占据了十分重要的地位,其移动平台的越障能力直接影响了其功能的发挥,因此需要一个具有良好地形适应性的机器人移动平台。本文所阐述的摇杆式变形履带机器人移动平台既能克服人工建造的结构化地形,又要能克服自然形成的或灾后形成的非结构地形,是一种适应全地形的机器人移动平台,借助美国PTC公司的Creo可以方便的完成其设计与仿真分析的工作,大大提高设计效率。
l 移动平台的机构分析
1.1 变形履带的工作原理
在样机制造中,通常使用的履带是橡胶履带,依靠带轮与橡胶履带之间的摩擦传递动力,并克服阻力使履带转动而产生作用。如下图所示为变形履带机构的简化模型,理论上,橡胶履带的总长度是不变的,由图1所知,橡胶履带的总长为四个连杆的总长度与四个圆弧线的总长度之和,即:
图1 变形履带机构的理论模型
1.2 机构越障能力分析
1.2.1 适应地形分析
目前,各高校或机器人研究所都研究出了各种不同的机器人行走机构,如此多的行走机构的产生无非都是想将机器人的越障能力尽可能提高,而地形是越障分析中的主要考虑因素,这就使得地形分析成为了必要。如图2示为变形履带机器人移动平台的行走机构模型,展示了三种不同的变形状态,以适应不同的地形。
在α2=0所示的状态,由于橡胶履带与地面的接触面积较大,压强较小,适应于在松软的、较易沉陷的沼泽地或较易滑道的地形中行走,可以最大限度利用履带的优越性;而当α2≠0时,则是与之恰为相反。由图2中可以看出其与地面的接触仅为两个带轮所占据的面积,可以较大的减少摩擦阻力及能量损耗,可以高速行驶,能在一定程度上减少噪音的产生。由此可知,变形履带机器人的移动平台所能适应的地形是非常广泛的。
图2 行走机构的越障能力分析图
1.2.2 调整高度分析
要进行行走机构的越障能力分析,就要分析行走机构的最大跨距和最大调整高度。由图2所示,在机构确定时(L4为最长杆),决定平台高度日的因素只有带轮半径R、连杆2与地面的夹角α2及其长度L2,由图中可得其调整高度:
显然,当α2<0时,可以增加平台相对地面的高度,提高越障能力,而控制杆在控制滑道内的运动是有限制的,当控制杆到达控制滑道允许的最上端时,根据此时的α2可得到极限位置的调整高度。
1.2.3 最大跨距分析
由图2可知,由于L4为最长杆,其跨距仅与带轮的半径r、连杆4与水平面的夹角、及其长度有关,此外还与两下固定带轮中心距W0有关,按几何知识得其跨距计算如下
1.3 摇杆式差动平衡机构分析
以上分析都是假设地面平坦的情况下进行的,而在实际应用中,地面往往是起伏的,为了使机构能够自适应一定限度的起伏地面,就需要设置差动平衡机构,在此变形履带机器人中,使用的摇杆式差动平衡机构。如下图3所示,起伏地面表现为平面OM1(内侧)和OM2(外侧),水平面为OH,工作台平面与水平面是平行的,机器人经过此种路段时,摇杆会自适应地形,表现为摇杆绕其销轴转动,带动万向连接轴运动,进而驱动每一侧的履带固定板绕销轴运动而适应地形,为了求解最大的互偏角β,做如下的简化模型。