分析履带机器人越障能力优化

褚凤龙

摘要：对于履带机器人来讲，越障能力的优化是其性能升级的关键。以此为中心进行详细研究，根据在履带摆臂机器人为研究对象，分析机器人主体结构与运行原理，及时做好越障性能测试，以此达到升级履带机器人的目的。

关键词：运动原理;越障性能;仰角计算;中心速度

0  引言

越来越多的行业开始应用履带机器人，减轻人力劳动的压力，提高工作效率。履带机器人在实际工作中，需要铺设较长的电缆，设置大范围电磁屏蔽，遇到各种障碍，为履带机器人工作带来难题。如部分地下电缆检查中，履带机器人工作期间频繁遇到障碍，如果不能很好地解决其越障能力，会威胁到履带机器人的工作安全。越障能力的优化，涉及到机器人结构性能、设计参数以及越障性能等内容，因此在研究上具有一定难度，是当前履带机器人创新的重要课题。根据履带式摆臂机器人展开越障能力优化研究，为履带机器人越障能力提升以及未来发展提出科学建议。

1  剖析履带式摆臂机器人结构

履带式摆臂机器人，主要包括气体检测装置、控制电路、驱动电机、关节摇臂、履带移动式底盘、可控制云台、传感系统、前后驱动轮、移动壳体、电源系统、摄像系统等。履带机器人实际工作中必须及时进行气体检测，及时统计工作环境的温度、湿度与气体等参数变化，所以摆臂必须做到全方位移动[1]。带动检测摄像机随时对周围环境加以探查，并且能够灵活转换检测角度。履带式摆臂机器人工作环境复杂，特别是在电缆检查工作中，会面临爬楼梯、越过不同障碍区等现象，基本结果设计中增加履带前角，加强设计结构紧凑性，分别设置两个直流电机模块，强化防水能力，更好的完成涉水环境下的工作。机器人主要材料为铝合金，总重量仅为13kg。整体结构为全封闭式，两侧驱动轮分别属于两个电机，以此做到电缆检测中不同方向的不同检测运行状态。面对电缆检测中的障碍区，通过前臂及时越过[2]。

2  履带摆臂机器人运行原理分析

优化履带摆臂机器人越障性能，必须掌握履带摆臂机器人在工作中的运行状态以及运动原理。从水平面运动、制定越障路径等方面展开研究。

2.1 机器人水平运行原理

机器人正常工作以水平运动为主，水平运动中，履带机器人正常工作中关节履带、水平地面不会出现过度滑动现象，这期间履带机器人的运行速度为0，并且履带机器人速度、轮轴中心速度始终保持一致[3]。履带机器人正常水平运动期间参数包括履带机器人左侧履带轮中心速度、角速度，分别为Vt、Ct;右侧履带轮中心速度、角速度分别为Vr、ωr 。根据履带摆臂机器人工作期间水平面到履带轮中心点之间的距离r，计算左侧、右侧履带轮中心速度公式如下：

根据计算公式得到的两侧中心点间距，得到履带机器人整体运行中中心点Oc距离，计算瞬时速度V。计算公式如下：

履带机器人在工作期间，将其视为单独在个体，结合计算得到的角速度，得到整个运动过程的角速度，计算公式为：

瞬时加速度Oc中心点位置角速度为ω，机器人工作中中心线距离为d。下列公式：

履带摆臂机器人在原来运动转弯基础上，转弯半径出现变化，为：

机器人受到数据变化的影响，运动轨迹转变为圆周运动形式，这期间圆周运动的变化受到角速度变化的影响会动态调整。

2.2 履带摆臂机器人越障路径规划

履带摆臂机器人工作中需要结合实际情况规划合理的越障路径，要求必须参考其越障运动学展开。尤其是地下电缆通道检测工作，电缆布置复杂，工作环境特殊，在这种情况下，必须不断提高摆臂机器人的越障能力，规划科学有效的越障路径[4]。履带摆臂机器人越障在机器人电机提供的动力支持下，摆臂会根据越障路径及时调整，协助机器人顺利越过检测中的障碍。结合电缆通道中的一级台阶为越障研究参考，清晰掌握机器人越障期间的运动学原理。

电缆通道中会根据电缆施工情况设计不同的台阶，履带摆臂机器人检测电缆期间必须具备能够越过台阶的能力，这种越障要求机器人及时攀爬，具体包括两个方向，正向与反向。机器人攀爬能力设计离不开质心位置的确定，与其他机器人不同，履带摆臂机器人的质心较为前倾，位于前摆臂位置。机器人摆臂不是很长，反而为其攀爬台阶创造了有利条件，不会受到自身外体结构的影响。越过障碍之前在，机器人需要将前摆臂驱动，摆臂受到主机动力作用成顺时针运动，为机器人履带前轮的抬起提供动力，确保其达到越过障碍的高度。主驱动作用下机器人不断前进，电机为履带转动提供动力，随即攀爬到一级台阶的前沿位置。这时候履带机器人的摆臂开始转换运动方式，从顺时针变为逆时针，机器人履带前轮高度开始下降，随即与台阶水平契合，顺利前进到台阶前方边沿，随后降低前进高度顺利越过台阶障碍[5]。这种越障设计主要以单机台阶为主。履带机器人在反向攀爬中，驱动轮O1受到摆臂的影响，转移驱动中心到机器人后身非驱动轮O2位置，摆臂变换支撑中心点，抬起机器人履带前轮，随后机器人进入到整体摆起形态中。以运动学原理为基础，前轮并没有正常抬起，以中心点位置创建机器人运动坐标，XO1Y，XO2Y。计算履带摆臂机器人越障期间前后轮间距变化I0。机器人越障中摆臂长度受非驱动履带轮O2、摆臂前端中心O3的影响下，长度变为I1。这时候取坐标系中（I，h）作为机器人运动质心坐标G。履带摆臂机器人质量较轻，因此不会对质心坐标造成明显影响，因此运动原理研究中可以忽略质量这一影响因素。

履带摆臂机器人按照运动原理要求制定越障路径，期间注意其摆臂的正常工作需要非驱动履带轮的带动，所以一定要及时观察驱动轮、非驱动轮运行情况，从而明确摆臂工作中履带机器人前端中心点，确保履带摆臂机器人能够运力抬起前端履带轮，做好前期越障准备[6]。履帶机器人越障中前身抬起，接触台阶的瞬间会形成水平面夹角，该夹角α范围在0-π之间，此夹角是水平面与驱动轮、非驱动轮之间，此外包会形成非驱动轮、摆臂前端中心与水平面的夹角，此夹角为β。对于履带摆臂机器人来讲，本体俯角为α，客观夹角为β，并且属于固定值，，机器人质心G坐标如下：

将其简化处理为：

在此坐标中，受到实际工作环境的影响，履带摆臂机器人越障期间，运动轨迹在前轮作用下，形成圆形运动轨迹，其中圆心为（I0，O），半徑为，这个圆便是越障最佳轨迹参考。越障期间机器人身体上扬，与水平面形成仰角，这个仰角α的范围必须控制在π/2之间，否则机器人的运动平衡性会被破坏，甚至越障期间会出现倾覆事故。正因如此，机器人越障路径规划期间，必须满足如下条件：

坐标系中在仰角随着坐标系中数值的变化而变化，两者成正比例关系。当然还要注意：

上述条件找中，l4为代表摆臂前端中心与Y轴之间的距离，l4=，将攀爬越障的支点设定为O3，履带摆臂机器人在电机驱动下，抬起非驱动轮，完成攀爬行为。当然如果l4代表的是摆臂前端中心与X轴之间的距离，机器人遇到台阶无法抬动前驱动轮，不能顺利攀爬。攀爬运动中注意，驱动轮、横坐标X之间成正比例关系，并且不会出现临界点倾覆现象。在这样的条件下，准确得到履带摆臂机器人前倾中仰角与极限是变化关系为α1：αx。其中：

越障路径制定中，机器人驱动轮被抬起，摆臂做顺时针运动，其与水平面的距离必须控制在机器人主体结构要求范围内，否则驱动轮会受到结构平衡性的影响，不能顺利越过障碍[7]。此设计的完成，需要保证机器人与水平面投影相对应，由此得到仰角α2。攀爬路径设定期间，需计算α1、α2的平均值，将其设定为攀爬仰角数值。

根据上述运动原理分析，制定行之有效的越障路径，科学规避越障期间的不利因素，控制好机器人越障角度，保证机器人顺利完成攀爬运动。

3  履带摆臂机器人越障性能综合测试

履带摆臂机器人越障，结合其运动原理以及工作条件，准确计算出仰角数值，并且计算需要攀爬的斜坡高度与宽度，及时对越障性能加以测试，详细记录测试系数，为最终越障的完成提供准确参考。此次测试的工作环境为三层高台，机器人样机长和宽分别为40cm、32cm，高台的高度为35cm。机器人的摆臂为32cm。越障测试中为了更好的降低高台中管道对机器人的影响，保证机器人越障灵活性，对机器人进行铝合金材料加工处理，机器人总重量达从12kg变为13kg。履带摆臂机器人越障之前，输入β、α1、α2、αmin相关数值，记录攀爬期间稳定性最理想的高度，完成攀爬能力测试。

4  结束语

综上所述，履带摆臂机器人是当前电缆检查的重要工作力量，履带摆臂机器人在工作中必须具备很强的越障能力，能够克服工作中遇到的障碍，这样才能确保检测工作顺利，工作效率得到提高。根据实际工作情况掌握最佳越障路径以及越障相关数据，以此来进一步强化摆臂机器人的攀爬能力。

参考文献：

[1]吕宏宇，钱瑞明.四履带四摆臂机器人越障能力分析[J].机械设计与制造工程，2019，48（5）.

[2]杨忠炯，李坤霖，周立强.矿井环境探测机器人的越障能力分析[J].制造业自动化，2019（5）.

[3]徐静，汪志全，张珠丹.越障机器人越障循轨技术的实地探索与调试[J].时代汽车，2017（16）：125-126.

[4]王国志，李想，邓斌.一种新型爬缆机器人的越障能力及夹紧机构分析[J].机械设计与制造，2016（6）：30-33.

[5]房立金，祝帅，贺长林.新型四臂巡检机器人结构设计及转向越障研究[J].东北大学学报（自然科学版），2019，40（6）：825-830.

[6]臧勇，葛海浪，陶迁.新型全地形机器人结构设计及越障分析[J].机电信息，2017（27）：96-97.

[7]王宇，刘泓滨.机器视觉的救灾机器人越障性能分析[J].煤矿机械，2016，37（7）：92-94.