多悬挂轮式机器人底盘通过性研究_秦强.pdf

第 卷 第期佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）文章编号：（）多悬挂轮式机器人底盘通过性研究秦强，程明龙，仇多洋，金力（合肥学院先进制造工程学院，安徽 合肥 ；哈工大机器人（合肥）国际创新研究院，安徽 合肥 ）摘要：为提高服务机器人通过性能，提出一种多悬挂底盘结构。通过对现有服务机器人调研，分析主要性能指标并完成多悬挂轮式机器人底盘设计。分别建立多悬挂及传统结构底盘数学模型，对比分析越障高度和爬坡角度。基于 搭建台阶及斜坡工况进行动力学仿真，得到两种底盘的最大越障高度、最大爬坡角度及动力学特性。最后搭建实物样机，对多悬挂底盘进行实验，验证其通过性能。结果表明：多悬挂底盘适用于通过性能要求高的场合，传统底盘适用于车身稳定性要求高的场合，可根据不同的应用场景选择相应的底盘形式。关键词：移动机器人；多悬挂底盘；通过性能中图分类号：文献标识码：引言自从上世纪六十年代机器人诞生至今，技术已日趋成熟。服务机器人因其实用性被广泛应用在服务行业中，例如：酒店、商场、餐厅等公共场合。目前市面上常用的服务机器人大多采用轮式底盘结构。梁志凡采用了四个全向轮构成的独立驱动及转向底盘，可以实现原地转向、横移及斜行，提高了机器人在狭窄空间的机动性；高磊等人提出一种新型零转径轮式底盘结构，采用了三个多套筒结构、同轴心布置的轮系，内部安装小型差速器，可以实现同步直行及转向运动；等人提出了一种新型轮式机器人形态，采用了拟人的运动学形态，实现了对复杂地形的适应性；周志强采用了三轮差速底盘结构，前轮为全向轮，后轮为两个独立的驱动轮，可以实现原地转向；张晓丽采用了六轮差速底盘结构，通过两个驱动轮与四个万向轮配合，提供更强的承载能力。传统的轮式机器人由于悬挂系统对地面的自适应能力较差，导致机器人在越障时驱动力不足。针对此问题，提出一种多悬挂底盘结构，采用摇臂式悬挂系统，期望提高移动机器人的通过性；同时采用了两个驱动轮与四个万向轮相配合的底盘结构，提高移动机器人的机动性和承载能力。首先对主要参数进行计算来确定底盘结构；对底盘越障高度和爬坡角度进行理论分析，并与传统底盘对比；通过 软件建立多悬挂及传统底盘台阶及斜坡仿真模型，得到两种底盘的通过性能；最后进行实车实验，验证其通过性。多悬挂底盘设计驱动轮参数设计通过对市场上常用的服务机器人进行调研，主要性能指标如表所示，并根据指标对多悬挂底盘进行设计。表服务机器人主要参数自重（）速度（）越障高度（）爬坡角度（）驱动轮作为关键部件为机器人的移动提供动力，其尺寸大小直接影响底盘的通过性。轮胎的直径越大，底盘的越障能力也越强。因此，在给定车体空间内，保证轮胎拥有足够的运动空间，同时不与车体产生干涉的前提下，合理的选择大直径的轮胎。根据车身长度，单侧车身轮胎数量，估算轮胎直径：（）收稿日期：基金项目：安徽省科技重大专项（）；安徽省科技重大专项（）。作者简介：秦强（），男，安徽南陵人，教授，博士，研究方向：矿山机械、矿山安全、机器人技术应用。佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年式（）中：为车身长度；为单侧车轮数量。根据设计取 ，；计算可得驱动轮直径 。考虑到车轮在安装时要保留一定的间隙，同时需要与四个万向轮配合使用，最终选择驱动轮参数如下：表驱动轮参数轮胎类型外径胎宽承载能力实心轮 驱动电机功率校核根据调研及实际应用场景，机器人最大移动速度.，机器人整体自重取 。机器人在运行过程中的阻力主要包括：滚动阻力、加速阻力、空气阻力及坡道阻力。空气阻力较小可忽略不计。因此，对于单个车轮，其平衡方程可表示为式（）：（）式（）中，为驱动力；为滚动阻力；为加速阻力；为坡道阻力。单个车轮所受滚动阻力为式（）：（）式（）中，为滚动摩擦系数，由于机器人主要在平坦路面行驶，其值取.；为车轮承载力，通过计算可得 ，带入上式可得。加速阻力是机器人在直线加速时通过驱动轮克服自身惯性所产生的力，则单个驱动轮加速阻力为式（）：（）式（）中，取.；带入上式可得加速阻力 。坡道阻力是机器人在上坡时通过驱动轮克服自身重力沿坡道所产生的分力，单个驱动轮坡道阻力为式（）：（）式（）中，为坡面角度，其值取，代入上式可得坡道阻力 。因此，单个驱动轮所需的驱动力 。传动效率取 ，则机器人以.的速度行驶时单个驱动轮所需的驱动功率为：（）根据上述计算结果，预留余量，选择 的直流伺服电机，并与减速比为 的精密行星减速机配合使用。其中，电机的主要参数如表所示：表电机参数额定电压额定功率额定扭矩最大扭矩 底盘整体结构设计根据计算，驱动轮轮距设为 ，机器人整体外形尺寸为 。其中底盘结构如图所示，主要由驱动轮、万向轮、驱动电机、车身、减速机及三个独立悬挂机构组成。采用六轮差速底盘结构，结构简单；两个驱动轮分别由驱动电机和减速机独立控制，可以实现原地转向，在狭窄空间具有良好的机动能力；四个万向轮对称布置在底盘的两侧，能够均匀承受机器人的重量，具有较强的承载能力；采用三个独立的摇臂式悬挂机构，可绕支点旋转一定角度，在遇到障碍物时具备良好的自适应能力，使得驱动轮与地面保持良好的接触，同时保证了车身在行驶中的平稳性。图底盘结构底盘通过性能分析越障高度分析台阶是十分常见的垂直障碍物，也是评估机器人越障能力的重要参数。由于底盘结构不同，机器人最大越障高度也有所不同。因此，对多悬挂底盘越障过程进行受力分析，为便于分析做如下假设：（）机器人左右轮同步越障；（）车轮与地面保持良好接触，无相对滑动；（）越障过程中受力均匀。第期秦强，等：多悬挂轮式机器人底盘通过性研究机器人越障过程包括：前轮越障、驱动轮越障及后轮越障，后轮越障过程较为简单不做分析，越障过程如图所示。图越障过程当机器人遇到台阶时，前轮会绕支撑点旋转上升，使得前轮沿着台阶表面运动直至完全落在台阶上，整个过程中驱动轮与地面保持自适应接触；当继续前进一段距离，驱动轮接触台阶并开始攀爬，同理驱动轮绕支撑点旋转上升直至落在台阶顶部。建立多悬挂底盘越障模型，如图所示，则其平衡方程为式（）：图多悬挂底盘越障模型 （）（）（）（）（）（）式（）中，；为地面对驱动轮支持力，为驱动力；，为地面对万向轮的摩擦力和支持力；，为台阶对万向轮的摩擦力和支持力；万向轮半径 ，驱动轮半径 ，轮距 ，前轮连杆 ，驱动轮连杆，后轮连杆 。根据几何分析及摩擦力学可知式（）：（）式（）中，机器人主要在平坦路面行驶，滚动摩擦系数，附着系数 .，联立（），（）两式可得机器人最大越障高度.。同理，建立传统底盘越障模型如图所示，其平衡方程为式（）：图传统底盘越障模型 （）根据分析可知地面对驱动轮的支持力由避震系统的弹簧提供，其中，为弹簧的刚度，为弹簧的压缩量，随着前轮的爬升逐渐减小，降低导致驱动力也逐渐下降直至无法完成越障甚至发生驱动轮打滑的情况。爬坡角度分析坡道作为常见的障碍物是评估机器人越障能力的重要参数，在爬坡过程中主要受到坡面的摩檫力、支持力以及自身重力的影响。建立多悬挂底盘爬坡模型如图所示，对其进行受力分析得到平衡方程：图多悬挂底盘爬坡模型 （）（）（）（）（）（）（）（）（）式（）中，为前轮在斜坡上的位移。根据佳 木 斯 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年几何分析可知式（）：（）（）（）前轮在爬坡时，由于摇臂式悬挂机构的存在，驱动轮会与地面保持自适应接触，当达到最大值时，驱动力达到最大值，此时坡面的坡度为最大爬坡角度。同理，建立传统底盘爬坡模型如图所示，其平衡方程为式（）：图传统底盘爬坡模型 （）（）通过几何分析可知式（）：（）根据分析可知前轮在爬坡过程中弹簧的压缩量逐渐减小，导致驱动力也随之降低，直至无法完成爬坡。底盘动力学仿真分析 是一款功能强大的虚拟样机仿真软件，建立简化后的多悬挂底盘及传统底盘模型导入 中，并分别搭建两种底盘的越台阶和爬坡工况进行仿真，得到两种底盘的动力学特性。其中，传统底盘弹簧的刚度选取。台阶通过性分析建立多悬挂底盘及传统底盘的越台阶工况，通过仿真分别得到两种底盘的最大越障高度为，。两种底盘在 台阶工况下质心竖直方向的位移变化曲线如图所示。由图可知，在 内前轮、驱动轮、后轮依次越过台阶；其中，多悬挂底盘在越障过程中质心出现次波动，前、后轮越障时质心波动较大为；传统底盘在越障过程中质心出现次波动，最大波动为前轮越障时的。由此可见，多悬挂底盘在越障时竖直方向的位移量较小，但传统底盘在越障时波动次数较少，运行更加平稳。图两种底盘质心竖直方向位移曲线两种底盘在 台阶工况下驱动轮力矩变化曲线如图所示。由图可知，多悬挂底盘在前轮越障时，驱动轮峰值力矩达到；传统底盘在前轮越障时，驱动轮峰值力矩为。图两种底盘驱动轮力矩曲线其中，多悬挂底盘越台阶过程中地面对驱动轮的支持力变化曲线如图所示。由图可知，在 前轮从接触台阶至越上台阶的过程中，支持力逐渐增大随后减小直至趋于平稳。因此，多悬挂底盘在越台阶过程中，能够提供更强的驱动力，台阶通过性更强。爬坡通过性分析建立多悬挂底盘及传统底盘的爬坡工况。通第期秦强，等：多悬挂轮式机器人底盘通过性研究过仿真分别得到两种底盘的最大爬坡角度为 ，。两种底盘在 斜坡工况下驱动轮力矩变化曲线如图所示。由图可知，多悬挂底盘在 内前轮、驱动轮、后轮依次越过斜坡，直至车身与斜坡平行，爬坡过程中驱动轮力矩呈阶梯式增长，车身位于斜坡上时达到峰值力矩，其值为 ；传统底盘在前轮爬坡时由于驱动力不足导致爬坡失败。图地面对驱动轮支持力变化曲线图两种底盘驱动轮力矩曲线其中，多悬挂底盘爬坡过程中地面对驱动轮的支持力变化曲线如图 所示。由图 可知，在前轮接触斜坡至驱动轮接触斜坡的过程中，支持力逐渐增大。因此，多悬挂底盘的爬坡通过性更强。图 地面对驱动轮支持力变化曲线通过上述仿真结果可知，多悬挂底盘具有更强的台阶、斜坡通过性，但传统底盘在越障过程中车身运行更加平稳。通过性实验根据上述设计搭建出多悬挂底盘实物样机，并选择水泥台阶、斜坡实际场景验证底盘的通过性能。其中，爬越 水泥台阶与 斜坡的过程如图，图 所示。实验结果表明，样机能够顺利通过 的水泥台阶与 的斜坡，与仿真结果基本一致。表明了该样机具有较强的通过性。结语（）提出一种多悬挂式底盘结构，采用多个摇臂式悬挂结构，使得驱动轮在越障时与地面保持良好接触。图 爬越 水泥台阶过程图 爬越 斜坡过程（）在 中分别建立多悬挂与传统底盘的越台阶及爬坡工况进行仿真，结果表明多悬挂底盘的通过性能更强；传统底盘运行更加平稳。（）搭建样机进行通过性实验，结果表明：多悬挂轮式机器人能够成功越过 的水泥台阶及 的斜坡，具有较强的通过性。参考文献：，梁志凡自主搭乘电梯机器人设计与研究南京：南京理工大学，高磊，秦建军，黄梦雨，等一种新型零转径轮式机器人底盘设计与仿真中国科技论文，（）：，周志强智能餐饮服务机器人的设计研究上海：上海工程技术大学，张晓丽室内服务机器人移动底盘结构设计与仿真分析重庆：重庆大学，王奉晨全地形轮式移动机器人设计与性能分析成都：西南交通大学，张华健 基于 的模块化四轮独立驱动与转向移动机器人设计合肥：合肥工业大学，冯嘉鹏基于 软件的室内机器人运动仿真分析科技创新与生产力，（）：王殿军，吴乐，郑世杰，等六轮移动机器人运动学建模与仿真 高技术通讯，（）：王超星，王殿军，陈亚六轮全地形移动机器人越障性能分析与仿真制造业自动化，（）：（下转 页）第期包义环，等：零差法与走时层析成像相结合的混凝土缺陷成像层析算法相结合算法进行改进以便更好地识别边角区域的内部缺陷的具体尺寸。参考文献：石明明碱胶凝材料技术在混凝土专用薄层修复中的应用佳木斯大学学报（自然科学版），（）：戚秀真 混凝土超声层析成像方法研究 西安：长安大学，商峰，何世钦，安雪晖 锈蚀后钢筋混凝土梁的剪切疲劳试验清华大学学报（自然科学版），（）：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：齐宝欣，张雨，李佳诺，等基于压电传感器的混凝土损伤检测数值模拟 压电与声光，（）：，（，；，；，；，）：，：；（上接 页），（，；（），）：，：；