摆杆轮式越障机器人设计与实现

• 作 者: 张龙
• 出 处: 西南大学
• 发表日期: 2020年01期

轮式移动机器人被广泛运用于代替人类进行危险环境检测、搜索救援以及信息收集等工作,比如复杂且空间狭小的灾后现场、特殊管道、地下沟渠等。针对轮式移动机器人在空间较为狭小的非规整地形中移动困难,且在狭小的环境中受到机器人体积、重量、结构、负载和机动性等约束,本文提出一种具有较高的移动效率、较强的自主越障能力以及良好地形适应能力的摆杆轮式越障机器人。机器人利用左右同相的轮式移动方式,结合摆杆实现自主越障,通过动态尾翼实现转弯,主要工作内容如下:首先,本文从结构设计方面出发,为满足行走、转弯、越障和狭窄空间运动需求,设计了摆杆轮式越障机器人的机械结构,其驱动行走机构主要由两个同相的主动轮、连接在主动轮边缘的“U”型摆杆以及动态尾翼组成。“U”型摆杆两端物理连接在驱动轮上,“U”型摆杆尾部在机器人本体内部的滑槽内进行水平滑动。并用Solid Works软件设计出摆杆轮式越障机器人的三维模型。其次,本文对机器人在规整和非规整地形环境的运动进行了深入研究,建立了运动学模型和动力学模型,这部分主要内容为利用运动学公式推导出二维平面坐标系中机器人的位置变化,通过动力学方程得出机器人的位姿之间的力学关系。其次,对摆杆轮式越障机器人运动过程和稳定性进行分析,这部分主要分析了机器人在平坦地面行走时的运动原理、动态尾翼转弯越障形式、摆杆越障时的运动轨迹以及尾翼的辅助越障方式。从摆杆轮式机器人极限越障高度和爬坡能力方面阐述了机器人的静态稳定性。然后,对机器人的控制系统的总体设计进行了详细分析,建立以单片机为下位机的控制核心。采用第一人称视角的人机交互模式,上位机功能主要为实时图像等数据显示,下位机采用C语言完成控制程序的功能开发。基于WIFI模块实现下位机与上位机的数据传输,使用遥控作为运动控制的全闭环机器人控制系统。最后对机器人软硬件进行了详细分析,介绍了主要零部件选择。最后,对机器人的性能进行测试实验,对机器人可以通过的最大障碍物、沟渠、爬坡进行测试,实验得出机器人最大越障高度为驱动轮半径的2.4倍,得出尾翼轮脱困的能力为尾翼轮半径的1.4倍,可以稳定爬上坡度为35度的斜坡,可以跨越最大沟渠宽度为行动轮半径的3倍。综上所述,实验结果得出机器人能够达到预期的功能和目标,与现有的国内外轮式机器人相比,本研究提出的摆杆轮式移动机器人在非结构化的狭小空间中,更具有高效移动、自主越障以及地形适应能力,其小型狭长的结构特征可广泛应用于地下沟渠检测、地下电缆巡检以及矿井等狭小环境中。摆杆轮式越障机器人的下一步发展如下:将进一步研究如何将摆杆和尾翼联动,以设计出一种在转弯和越障等多方面有着最优化的移动单元。