四履帶雙擺臂機器人爬坡能力及質心軌跡的研究

(安徽理工大學機械工程學院 安徽 淮南 232001)

引言

隨著工業(yè)化的迅速發(fā)展，履帶式機器人用途越來越大，四履帶機器人可分為固定式和擺臂式兩種，本文主要以擺臂式為例[1]，具有爬坡能力強，易操作的特點，在環(huán)境惡劣的煤礦行業(yè)得到廣泛的應用。

一、機器人爬坡過程

由于履帶機器人在爬坡的過程中，一般情況下不會發(fā)生翻轉的，但是坡度過陡時，這時的履帶機器人將無法爬上坡，這是因為隨著坡度和高度的改變，機器人的質心會發(fā)生改變，影響著機器人的正常攀爬工作[2]。

圖1 履帶機器人爬坡坡度分析圖

履帶機器人在上坡時，機器人的質心隨著α的改變而改變，如圖1所示。設機器人此時的仰角為α，機器人仰角時質心與水平線之間的垂直距離為h,建立如下函數：

(1)

式中，若R，H，L確定時，此時機器人的質心處于臨界狀態(tài)，這時機器人恰好能爬上坡度最大時的坡頂；高度h隨著機器人仰角α增大而增大。

二、機器人仰角與坡度的關系

機器人在上坡緩緩移動時，主要考慮機器人爬坡的過程中，不發(fā)生傾覆現象。由于機器人的履帶要始終與斜坡面接觸，則α∈(0，π/2)；若以機器人的質心坐標為參考量時，分別對式(1)的H，L求偏導得：

(2)

由此，可得h(H,L,α) 關于h的減函數，關于L是增函數，此時,機器人的質心相對于之前的質心向前偏移，有利于機器人爬坡。

三、機器人爬坡的質心軌跡分析

由于履帶機器人在上坡時，由于仰角的改變，影響了質心的變化。此時的兩個擺臂是同步擺動的，以適應機器人爬坡的過程的需要，如圖(2)所示。

圖2 履帶機器人爬坡質心分析圖

設機器人主體質量為m1，兩擺臂質量為m2，機器人整體、機器人整體、兩擺臂的質心分別為G1、G2、G3其他參數如圖2所示。

由質心矩守恒定律得：

(3)

由式子(3)可得：

(4)

圖3 履帶機器人爬坡質心軌跡變化圖

四、結論

本文中，履帶機器人質心位置變化軌跡曲線呈圓的軌跡，主要通過擺臂同時擺動雙臂來改變質心的位置，滿足工作過程爬坡需要；履帶機器人的仰角與斜坡的坡度有關，主要因為履帶機器人的履帶要始終與斜坡面接觸，以保證在工作的過程中不會發(fā)生傾覆現象，對機器人爬坡安全問題有一定的參考價值。