雙履帶機器人移動系統爬樓性能研究

施曉東

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300450）

1 概述

近年來，隨著科技的進步，機器人技術得到了快速發展，巡檢機器人作為服務類機器人的一種，在園區、銀行、社區、商場、機場、倉庫、危化企業等重要場景起到巡邏安防作用。巡檢機器人按照移動方式主要分為腿式移動機器人、履帶式移動機器人、輪式移動機器人以及復合結構移動機器人。其中，腿式移動機器人控制難度大，復雜環境下的適應能力弱，輪式移動機器人復雜路況適應能力差，復合結構移動機器人結構復雜、故障率高，而履帶式移動系統控制簡單、路況適應能力強，成為巡檢機器人移動方式的主要選擇。

本課題提出了一種尺寸嬌小，能夠實現爬樓功能的雙履帶機器人移動系統，并對其爬樓過程做了詳細分析，通過樣機測試進一步驗證了雙履帶機器人的爬樓功能。

2 雙履帶機器人移動系統方案設計

設計的雙履帶機器人移動系統如圖1 所示，移動系統主要由機械和動力兩部分組成，機械部分主要由車體、履帶、驅動傳輸裝置、主驅動輪、負重輪、導向輪、避震器及張緊裝置組成；動力部分主要由伺服電機、蝸輪蝸桿減速機、鋰電池、驅動器和信號發送接收裝置組成。移動系統左右兩側各設置一套伺服電機和減速機，通過驅動傳輸裝置分別驅動對應側履帶旋轉。

圖1 雙履帶機器人移動系統結構圖及渲染圖

表1 雙履帶機器人移動系統參數表

3 雙履機器人移動系統爬樓過程分析

雙履帶機器人可以實現平穩爬樓的條件為移動系統在爬樓過程的任意位置處都能保證履帶與臺階至少有兩點接觸，基于此，將雙履帶機器人爬樓過程大致分為5 個階段：履帶前側搭上第一節臺階、履帶與樓梯臺階兩點接觸、履帶與樓梯臺階三點接觸、履帶前側離開臺階、履帶后側離開臺階完成爬樓。

圖2 雙履帶機器人爬樓過程分析

雙履帶機器人在爬樓過程中，不產生履帶滑移的條件為：

其中，μ 為履帶與樓梯臺階的摩擦系數，f 為履帶與樓梯臺階的摩擦力，N 為履帶與臺階接觸點的正壓力。

經理論分析，雙履帶機器人在爬樓過程中所需扭矩主要分為機器人越上第一節臺階和連續爬樓兩種情況，對這兩種運動狀態進行受力分析，如圖3 所示：

雙履帶機器人在圖3（a）運動狀態下的受力情況：

圖3 雙履帶機器人爬樓過程受力分析

其中，f1、f2為樓梯臺階對履帶摩擦力，α 為履帶車與水平面夾角，β 為履帶車前角大小，N1、N2為樓梯臺階對履帶支撐力，L1，L2，L3，L4為履帶車各支點作用力與驅動輪中心垂直距離，G 為履帶車重力。

4 樣機試驗

為驗證雙履帶機器人爬樓功能及其穩定性，對設計制作的機器人移動系統進行爬樓性能測試，測試樓梯臺階高150mm，寬260mm，整個爬樓過程如圖4 所示：

圖4 雙履帶機器人移動系統爬樓功能測試

測試表明，雙履帶機器人可爬上臺階高150mm，寬260mm的樓梯臺階，爬樓全程雙履帶機器人車體底部未觸及臺階，整個過程運行平穩，沒有明顯顛簸。

5 結論

本文提出了一種雙履帶機器人移動系統，并對其爬樓過程進行了動作分解及受力分析，通過現場測試表明設計的雙履帶機器人移動系統能夠實現平穩爬樓功能，雙履帶機器人移動系統通過搭載不同功能模塊，可制作不同用途的移動機器人，具有廣闊的市場前景。