孙海燕1，马嘉启2，孟庆兵2
1青岛黄海学院 山东 青岛 266427
2青岛中集集装箱制造有限公司 山东 青岛 266599
摘要：本文以履带式移动机器人在多种复杂环境地形上的高通过性、高适应性的共性问题为出发点，重点提出可变形履带式移动机器人机构实现方法、机器人与地面的交互作用机理等问题，形成一种履带式移动机器人多地形通过性和适应性的设计方法和评价机制，为履带式移动机器人关键技术的创新研究提供重要的理论方法和支撑。
关键词：履带；机器人；理论方法
1 前言
近年来，履带式移动机器人在非结构环境领域得到了广泛应用，如何提高该类机器人的高通过性和多地形适应性，目前则成为与该机器人相关的研究关键和前沿问题。此外，当面对更多更复杂的作业任务时，单一机器人无法完成，需要多个机器人合作起来共同完成任务。本文以履带式移动机器人在多种复杂环境地形上的高通过性、高适应性的共性问题为出发点，重点提出可变形履带式移动机器人机构实现方法、机器人与地面的交互作用机理等问题。本文的研究将为履带式移动机器人在复杂环境下的真正实用化提供重要的理论指导和技术解决途径。
2 履带可变角度的移动机器人机构实现方法
针对履带式移动机器人多种复杂地形的环境条件和功能要求，提出一种可变形履带式移动机器人机构实现方法，采用该设计方法下的移动机器人根据不同的环境地形，可实时调整机器人的本体姿态，从而使机器人具备良好的多地形通过性和越障稳定性。
①机器人基本运动分析
机器人通过两直流伺服电机分别驱动左右两侧的履带轮，使两个履带轮分别带动左右两条履带转动从而实现机器人直线前进、后退等基本运动，机器人的转弯运动是通过两条履带的差速驱动方式来实现的，通过对机器人两履带不同转速的设置，使机器人实现左转弯和右转弯等，如图1所示。
图1 机器人基本运动分析
以上所分析的机器人基本运动形式与左右两条履带运行方向之间的关系如图2所示。
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图2 机器人运动形式示意图
② 机器人越障运动模式分析
当机器人越障或攀越楼梯时，关节电机驱动前壳体绕关节轴旋转，使前后两壳体之间形成一定的角度，此时该移动机器人类似于四履带机器人。图3所示为机器人爬楼梯的整个过程，楼梯是履带式移动机器人实际作业中的一种典型障碍物，通过对爬楼梯过程的分析，可对机器人的越障提供参考。
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（c）行驶于楼梯上 （d）到达楼梯顶部 （e）完成爬梯
图3 机器人爬楼梯姿态调整示意图
③ 机器人系统构建
针对履带式移动机器人多复杂地形的作业环境问题，提出履带可变角度的移动机器人系统结构。主要包括：前、后壳体、履带、用于移动的驱动电机，用于姿态调整的关节电机、履带轮、以及履带形态调整装置等，如图4所示。两驱动电机安装在后壳体的尾部，分别驱动两个履带轮；关节电机安装在前后两壳体的连接处，当履带机器人在前行过程中遇到障碍物或攀爬楼梯时，控制系统则控制关节电机驱动前壳体绕关节轴旋转一定的角度，从而使机器人越过障碍物或攀越楼梯。
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④履带被动伺服调节装置设计方法
针对履带式移动机器人本体姿态变化时履带容易出现松弛或者脱落现象，提出一种履带被动伺服调节装置设计方法，该装置结构简图如图5所示。其结构由压带轮机构、固定支撑架、活动支撑架和旋转关节四部分组成。固定支撑架一端固定连接在机器人的本体上，另一端与活动支撑架通过旋转关节相连接，每一个压带轮采用弹性连接的方式安装在活动支撑架上，对每一个压紧轮在安装时施加一定的预紧力，以保证压紧履带，这种技术处理的优点在于可使每个压紧轮无论何时都能与履带接触，而且当关节出现角度的变化时，又能使压紧装置处的一段履带以弧线的形态与带轮啮合。该方法巧妙利用关节动作时履带变角度所产生的力之间的相互作用关系，使履带上的齿在履带运动过程中能很好地啮合在带轮上，从而有效地解决履带松弛或脱落的问题。
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图5 履带被动伺服调节装置简图
3 机器人与地面交互作用机理分析
针对移动机器人工作现场的地形与地质特性，应综合运用有限元分析方法与地面力学相关理论知识，分析机器人履带与工作地面交互作用的产生机理及影响因素，研究环境地形支撑机器人通过性和适应性的评价问题。
① 机器人作业环境特征分析及通过性评价
影响机器人作业地面通过性的环境参数包括湿度、密度、内摩擦角、摩擦系数、内聚力等，以上参数对机器人地面环境通过性的影响各不相同。应重点选取内摩擦角、摩擦系数、内聚力等参数来分析机器人地面环境通过性，通过检测移动机器人在实际运行中的中心速度、加速度、车轮角速度、轮陷量、驱动力矩等内部信息，利用牛顿一拉普森方法结合的地面计算力学公式，求出相应的内摩擦角和附着力，进而得到机器人地面环境通过性评价的特征参数。
② 机器人履带与地面交互作用机理分析
基于计算地面力学的基本理论，对履带与地面交互作用机理进行分析。图6所示为履带与土壤地面交互作用的几何关系，由于履带与土壤地面之间为软接触，因此履带与土壤地面接触时会产生一定的变形，故将履带与土壤地面的相互作用情况分为三部分分析：第一部分为后壳体从动轮与土壤地面的相互作用，如图ABC 段，该部分同轮子与土壤地面作用相类似；第二部分是中间履带与土壤地面的相互作用，如图CDEF 段，此时履带与土壤地面之间为弧形接触；第三段是后壳体驱动轮与土壤地面的相互作用，如图FGH段，该部分与第一部分的区别为作用于驱动轮下的地面是前面从动轮作用之后的再加载，此时对垂直应力和剪切应力的求解也发生了变化。
图6 履带与地面交互作用几何关系
③ 履齿与地面交互作用机理分析
研究履齿与土壤地面交互作用机理，通过一实验平台模拟履齿及土块在外力作用下的受力和变形情况，根据实验分析建立履带齿与土壤地面的交互作用模型，该模型更加精确地反映履齿的结构尺寸对履带牵引性能的影响，该实验平台如图7所示，为履齿的正上方所施加的垂直方向的压力，同时也是履带对土壤地面的压力，为对履带施加的水平作用力，可使履带发生水平移动，用于模拟机器人在运行过程中所发生的履带滑移现象。
图7 履齿与土壤地面作用受力图
4 总结
本文重点提出可变形履带式移动机器人机构实现方法、机器人与地面的交互作用机理等问题，形成一种履带式移动机器人多地形通过性和适应性的设计方法和评价机制,这将为履带式移动机器人在复杂环境下的真正实用化提供重要的理论指导和技术解决途径。
参考文献
[1]田海波,马宏伟,张一澍,尚万峰. 轮履复合式机器人设计及其可包容地形分析[J].机械设计,2014。
[2]顾鹏.被动自适应机器人移动单元研究[D].河北：河北工业大学.2014.
作者：孙海燕
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