四履带双摆臂机器人爬坡能力及质心轨迹的研究

(安徽理工大学机械工程学院 安徽 淮南 232001)

引言

随着工业化的迅速发展，履带式机器人用途越来越大，四履带机器人可分为固定式和摆臂式两种，本文主要以摆臂式为例[1]，具有爬坡能力强，易操作的特点，在环境恶劣的煤矿行业得到广泛的应用。

一、机器人爬坡过程

由于履带机器人在爬坡的过程中，一般情况下不会发生翻转的，但是坡度过陡时，这时的履带机器人将无法爬上坡，这是因为随着坡度和高度的改变，机器人的质心会发生改变，影响着机器人的正常攀爬工作[2]。

图1 履带机器人爬坡坡度分析图

履带机器人在上坡时，机器人的质心随着α的改变而改变，如图1所示。设机器人此时的仰角为α，机器人仰角时质心与水平线之间的垂直距离为h,建立如下函数：

(1)

式中，若R，H，L确定时，此时机器人的质心处于临界状态，这时机器人恰好能爬上坡度最大时的坡顶；高度h随着机器人仰角α增大而增大。

二、机器人仰角与坡度的关系

机器人在上坡缓缓移动时，主要考虑机器人爬坡的过程中，不发生倾覆现象。由于机器人的履带要始终与斜坡面接触，则α∈(0，π/2)；若以机器人的质心坐标为参考量时，分别对式(1)的H，L求偏导得：

(2)

由此，可得h(H,L,α) 关于h的减函数，关于L是增函数，此时,机器人的质心相对于之前的质心向前偏移，有利于机器人爬坡。

三、机器人爬坡的质心轨迹分析

由于履带机器人在上坡时，由于仰角的改变，影响了质心的变化。此时的两个摆臂是同步摆动的，以适应机器人爬坡的过程的需要，如图(2)所示。

图2 履带机器人爬坡质心分析图

设机器人主体质量为m1，两摆臂质量为m2，机器人整体、机器人整体、两摆臂的质心分别为G1、G2、G3其他参数如图2所示。

由质心矩守恒定律得：

(3)

由式子(3)可得：

(4)

图3 履带机器人爬坡质心轨迹变化图

四、结论

本文中，履带机器人质心位置变化轨迹曲线呈圆的轨迹，主要通过摆臂同时摆动双臂来改变质心的位置，满足工作过程爬坡需要；履带机器人的仰角与斜坡的坡度有关，主要因为履带机器人的履带要始终与斜坡面接触，以保证在工作的过程中不会发生倾覆现象，对机器人爬坡安全问题有一定的参考价值。