四履帶雙擺臂機(jī)器人爬坡能力及質(zhì)心軌跡的研究

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽 淮南 232001)

引言

隨著工業(yè)化的迅速發(fā)展，履帶式機(jī)器人用途越來(lái)越大，四履帶機(jī)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(qiáng)，易操作的特點(diǎn)，在環(huán)境惡劣的煤礦行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

一、機(jī)器人爬坡過(guò)程

由于履帶機(jī)器人在爬坡的過(guò)程中，一般情況下不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)的，但是坡度過(guò)陡時(shí)，這時(shí)的履帶機(jī)器人將無(wú)法爬上坡，這是因?yàn)殡S著坡度和高度的改變，機(jī)器人的質(zhì)心會(huì)發(fā)生改變，影響著機(jī)器人的正常攀爬工作[2]。

圖1 履帶機(jī)器人爬坡坡度分析圖

履帶機(jī)器人在上坡時(shí)，機(jī)器人的質(zhì)心隨著α的改變而改變，如圖1所示。設(shè)機(jī)器人此時(shí)的仰角為α，機(jī)器人仰角時(shí)質(zhì)心與水平線之間的垂直距離為h,建立如下函數(shù)：

(1)

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

二、機(jī)器人仰角與坡度的關(guān)系

機(jī)器人在上坡緩緩移動(dòng)時(shí)，主要考慮機(jī)器人爬坡的過(guò)程中，不發(fā)生傾覆現(xiàn)象。由于機(jī)器人的履帶要始終與斜坡面接觸，則α∈(0，π/2)；若以機(jī)器人的質(zhì)心坐標(biāo)為參考量時(shí)，分別對(duì)式(1)的H，L求偏導(dǎo)得：

(2)

由此，可得h(H,L,α) 關(guān)于h的減函數(shù)，關(guān)于L是增函數(shù)，此時(shí),機(jī)器人的質(zhì)心相對(duì)于之前的質(zhì)心向前偏移，有利于機(jī)器人爬坡。

三、機(jī)器人爬坡的質(zhì)心軌跡分析

由于履帶機(jī)器人在上坡時(shí)，由于仰角的改變，影響了質(zhì)心的變化。此時(shí)的兩個(gè)擺臂是同步擺動(dòng)的，以適應(yīng)機(jī)器人爬坡的過(guò)程的需要，如圖(2)所示。

圖2 履帶機(jī)器人爬坡質(zhì)心分析圖

設(shè)機(jī)器人主體質(zhì)量為m1，兩擺臂質(zhì)量為m2，機(jī)器人整體、機(jī)器人整體、兩擺臂的質(zhì)心分別為G1、G2、G3其他參數(shù)如圖2所示。

由質(zhì)心矩守恒定律得：

(3)

由式子(3)可得：

(4)

圖3 履帶機(jī)器人爬坡質(zhì)心軌跡變化圖

四、結(jié)論

本文中，履帶機(jī)器人質(zhì)心位置變化軌跡曲線呈圓的軌跡，主要通過(guò)擺臂同時(shí)擺動(dòng)雙臂來(lái)改變質(zhì)心的位置，滿足工作過(guò)程爬坡需要；履帶機(jī)器人的仰角與斜坡的坡度有關(guān)，主要因?yàn)槁膸C(jī)器人的履帶要始終與斜坡面接觸，以保證在工作的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生傾覆現(xiàn)象，對(duì)機(jī)器人爬坡安全問(wèn)題有一定的參考價(jià)值。