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全地形移动机器人悬架机构设计及特性分析

机械工程学报 2022年第9期58卷 71-86页

作者：汪步云彭稳梁艺程军胡汉春许德章安徽工程大学机械工程学院芜湖241000 安徽工程大学人工智能学院芜湖241000 安徽工程大学机器人产业技术研究院芜湖241007

针对全地形移动机器人多地形行走需要,满足其路面的通过性与减振需求,设计了一种双叉臂悬架减振机构,建立了基于动力学参数分析的数学模型;通过ADMAS-Simulink联合仿真,分析了多路面谱函数激励下移动机器人悬架机构的振动情况,优化了所... 详细信息

针对全地形移动机器人多地形行走需要,满足其路面的通过性与减振需求,设计了一种双叉臂悬架减振机构,建立了基于动力学参数分析的数学模型;通过ADMAS-Simulink联合仿真,分析了多路面谱函数激励下移动机器人悬架机构的振动情况,优化了所选取的阻尼器阻尼比、刚度参数和摆臂角等悬架特性参数,确定了悬架特性参数和驱动力矩等主要设计参数范围;进一步地,开展了户外多地形行走试验,包括鹅卵石、青石板、土壤、草地等较为代表性路面,对比了两种阻尼器参数测试,结果表明,所设计的悬架机构及特性参数优化,显著改善了减振效果和越障性能,提升了车轮驱动力矩转化输出为牵引力的效果,验证了悬架减振机构动力学建模描述与仿真分析的正确性,有效改善了全地形移动机器人路面适应性、通过性和行走稳定性。

关键词：全地形移动机器人减振悬架动力学特性联合仿真

全地形移动机器人悬架参数优化及力矩分配特性研究

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全地形移动机器人悬架参数优化及力矩分配特性研究

作者：彭稳安徽工程大学

学位级别：硕士

随着人民日益增长的美好生活需要,对可代替人类在艰苦环境下作业的移动机器人的需要也日益增长。将可在复杂多变的环境,如硬质路面、软土路面、草地、乱石等环境中移动的平台称为全地形移动机器人。对全地形移动机器人地形适应性的研究... 详细信息

随着人民日益增长的美好生活需要,对可代替人类在艰苦环境下作业的移动机器人的需要也日益增长。将可在复杂多变的环境,如硬质路面、软土路面、草地、乱石等环境中移动的平台称为全地形移动机器人。对全地形移动机器人地形适应性的研究尤为重要,对地形适应性的分析主要从悬架减振性能和驱动性能方面考虑。目前在分析悬架减振性能时主要是将悬架简化为质量弹簧阻尼系统,这与悬架实际模型不相符,且无法分析横向路面激励,在此基础上对减振性能分析存在误差。此外,全地形移动机器人行走过程中存在力矩分配特性,悬架对力矩分配特性的影响有待分析。针对以上两点问题,首先建立基于悬架结构的考虑三维路面激励的悬架动力学模型,分析并优化悬架特性参数,建立ADMAS-Simulink联合仿真模型,分析随机路面激励输入下移动机器人悬架机构的减振性能;然后设计力矩平衡机构,柔性传递两侧悬架所受激励,以悬架减振动力学模型为基础,增加力矩平衡机构数学模型,通过联合仿真分析优化力矩平衡机构特性参数,进而优化力矩分配特性。文章主要包括以下四个部分:（1）针对移动机器人的基本设计要求,设计了双横臂独立悬架结构,针对力矩分配特性对差速转向全地形移动机器人路面通过性阻碍效果,设计了力矩平衡机构。建立移动机器人虚拟样机和物理样机,为后续论文理论分析和实验分析奠定基础。（2）为提高悬架减振性能,提出一种基于结构的悬架减振特性分析方法,建立基于悬架结构的考虑三维路面激励的悬架动力学模型,优化悬架减振特性参数。分析差速转向移动机器人的力矩分配特性,指出力矩分配特性产生的原因;分析悬架特性参数对力矩分配特性的影响;最后通过复杂路面行走分析得出结论,力矩分配特性是由各轮所受激励不同导致。（3）为提高全地形移动机器人路面通过性,优化力矩分配特性,提出通过力矩平衡机构优化力矩分配特性的理论方法。首先建立包含力矩平衡机构的1/4悬架数学模型,并由此出发,建立整车的动力学模型并代入参数进行计算,验证数学建模的正确性;对悬架施加随机路面激励,优化力矩平衡机构特性参数。（4）根据理论分析,设计全地形移动机器人虚拟样机和物理样机,开展了仿真实验和户外行走试验,讨论分析了在不同软硬质路面悬架特性参数优化对减振性能影响以及力矩平衡机构对力矩分配特性的优化效果,实验结果验证了不同路面下悬架特性参数优化对减振性能均有优化效果,力矩平衡机构优化了力矩分配特性进而优化了路面通过性。

关键词：全地形移动机器人双横臂悬架悬架动力学力矩分配特性驱动力矩

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全地形移动机器人轮-地几何接触角估计

自动化学报 2008年第7期34卷 778-783页

作者：宋小康王越超谈大龙吴镇炜中国科学院沈阳自动化研究所

研究全地形移动机器人在不平坦地形中轮-地几何接触角的实时估计问题.本文以带有被动柔顺机构的六轮全地形移动机器人为对象,抛弃轮-地接触点位于车轮支撑臂延长线上这一假设,通过定义轮-地几何接触角δ来反映轮-地接触点在轮缘上位置... 详细信息

研究全地形移动机器人在不平坦地形中轮-地几何接触角的实时估计问题.本文以带有被动柔顺机构的六轮全地形移动机器人为对象,抛弃轮-地接触点位于车轮支撑臂延长线上这一假设,通过定义轮-地几何接触角δ来反映轮-地接触点在轮缘上位置的变化和地形不平坦给机器人运动带来的影响,将机器人看成是一个串-并联多刚体系统,基于速度闭链理论建立考虑地形不平坦和车轮滑移的机器人运动学模型,并针对轮-地几何接触角δ难以直接测量的问题,提出一种基于模型的卡尔曼滤波实时估计方法.利用卡尔曼滤波对机器人内部传感器的测量值进行噪声处理,基于机器人整体运动学模型对各个轮-地几何接触角进行实时估计,物理实验数据的处理结果验证了本文方法的有效性,从而为机器人运动学的精确计算和高质量的导航控制奠定了基础.

关键词：全地形移动机器人轮-地几何接触角运动学建模卡尔曼滤波

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全地形移动机器人悬架机构动态特性分析

全地形移动机器人悬架机构动态特性分析

作者：黄玉成安徽工程大学

学位级别：硕士

近年来,全地形移动机器人在户外探测领域应用越来越广泛,引起了国际上广泛的研究与关注。目前,对于全地形移动机器人的研究,大多数关注其控制系统,而对机械结构特别是机器人的悬架机构的研究少之又少。本文设计一款带有独立悬架减振机... 详细信息

近年来,全地形移动机器人在户外探测领域应用越来越广泛,引起了国际上广泛的研究与关注。目前,对于全地形移动机器人的研究,大多数关注其控制系统,而对机械结构特别是机器人的悬架机构的研究少之又少。本文设计一款带有独立悬架减振机构的全地形移动机器人,建立其运动学和动力学模型,研制了实物样机,针对不同路况测试整车动态特性,验证了悬架减振机构设计的合理性。本文具体研究内容如下:(1)机器人结构设计。针对全地形移动机器人的应用场景,设计一款具有独立悬架减振机构的移动机器人,该悬架减振机构具有很好的可调节性,通过调节机构,可以方便地设定减振器初始预紧力;利用有限元法分析了机器人关键零部件机械强度,分析结果表明,使用铝合金材料制造车身零部件,满足机械强度要求,符合轻量化设计目标;针对不同运行场景,计算了机器人驱动机构进行动力参数,确定了运动所需最大扭矩,完成电机与减速器的选型。(2)运动学与动力学分析。建立全地形移动机器人运动学与动力学模型,分析机器人转向时车身姿态变化;利用拉格朗日法分析了悬架系统动力学特性,确定影响悬架机构减振性能的主要因素,得出弹簧刚度与机器人减振性能之间的变化关系。(3)仿真分析。利用Adams(多体动力学仿真分析软件)建立机器人虚拟样机并完成了仿真分析。根据仿真分析结果,确定了减振器参数取值范围;分别建立机器人在平坦路面和坑洼路面运动时的仿真模型,测试机器人的车轮纵向振幅、车身纵向振幅以及弹簧变形量;仿真结果表明,比较机器人在坑洼路面与在平坦路面运动状况,其整体振动幅值变化不大,表明该悬架减振机构具有良好的减振性能;同时,通过仿真分析了机器人转向运动,得出在满足电机扭矩和机器人振两个约束条件下时的最大自转速度。(4)实验测试。根据机器人的结构设计,完成机器人实验样机加工与安装;分别在泊油路面、水泥路面、鹅卵石路面以及草地路面,分别测试了移动机器人和另一款不带有悬架减振机构移动机器人,利用陀螺仪传感器测得车身振动数据。实验数据表明,本文研究的移动机器人在以上几种路面行驶时,车身振动均小于不带悬架减振机构的移动机器人,说明该悬架机构具有良好的减振性能;分析机器人爬坡以及转弯时电机电流变化,根据电机电流大小判断电机是否发生过载;实验结果表明,该移动机器人在转弯与爬坡时的电机电流均小于额定电流,机器人驱动动力参数满足实际应用要求。

关键词：全地形移动机器人独立悬架虚拟样机拉格朗日法 Adams

全地形移动机器人减振系统动力学特性分析及转向控制策略研究

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全地形移动机器人减振系统动力学特性分析及转向控制策略研究

作者：沈邓超安徽工程大学

学位级别：硕士

全地形轮式移动机器人因为其具有结构简单、运动灵活、易于控制的特点,使得其广泛运用于户外环境。随着户外环境复杂程度的增加,对全地形移动机器人性能的要求也随之提升。在转向过程中的车身不稳问题一直是学者广泛讨论的问题,解决这... 详细信息

全地形轮式移动机器人因为其具有结构简单、运动灵活、易于控制的特点,使得其广泛运用于户外环境。随着户外环境复杂程度的增加,对全地形移动机器人性能的要求也随之提升。在转向过程中的车身不稳问题一直是学者广泛讨论的问题,解决这一问题的方案主要表现在两个方面,一是集中在对悬架减振系统进行创新设计,二是设计转向控制系统,通过控制轮速或转矩提高系统稳定性。本文将两种方法相结合,设计一种悬架减振系统与转向控制策略相结合的全地形移动机器人,并通过建立路面振动模型和转向工况下的动力学模型,分析了其动力学特性,设计了基于减振系统模型的模糊PID控制器,实现了转向控制。针对不同地形下的户外实验,验证了全地形移动机器人悬架减振机构与转向控制策略的合理性。文章主要包括下面四个部分:(1)全地形移动机器人减振系统设计。针对全地形移动机器人应用于复杂环境下的作业,分析出全地形移动机器人的功能需求并确定主要设计参数。通过对驱动机构极限工况下的计算,确定了最大功率和最大转矩。对悬架的重要参数进行计算,确定了悬架的刚度系数及阻尼系数,运用SolidWorks软件设计了全地形移动机器人三维模型。(2)全地形移动机器人减振系统的数学建模。通过建立悬架减振机构振动模型,求出系统的传递函数,通过观察伯德图,确定系统具有稳定性;通过建立转向工况下的动力学模型,确定并分析其动力学特性参数,为后续转向控制策略研究提供理论基础。(3)转向控制策略研究。由于模糊PID控制策略具有良好的鲁棒性,设计基于减振模型的模糊PID控制策略,通过设计模糊PID控制器,建立模糊规则,利用大量实际实验完成PID的参数整定,最终完成对全地形移动机器人转向稳定性控制。(4)实验研究。完成了仿真实验研究和户外实验研究,通过开展仿真实验,设计了全地形移动机器人不同路面的振动实验方案及不同转速下的自转实验方案,分析优化前后横梁的振动情况,对比验证了模糊PID控制算法;通过开展户外试验,设计了全地形移动机器人在不同户外路面下转向过程中的车身振动试验方案,利用陀螺仪反映在不同路面转向时的车身振动情况,对比分析优化前后车身稳定性状况。从而验证悬架减振系统与转向控制策略相结合后,极大的提高全地形移动机器人转向时的稳定性,为复杂环境下的多种作业提供了保障。

关键词：全地形移动机器人悬架减振机构动力学模型模糊PID控制策略

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一种新型六轮全地形移动机器人的设计与研究

一种新型六轮全地形移动机器人的设计与研究

作者：王福德沈阳理工大学

学位级别：硕士

随着社会的发展和科技的进步，全地形移动机器人研究越来越受到广泛的关注，其在军事、深空探索、自然灾害救援和野外科考作业等各个领域内彰显实力，发展前景不可估量。全地形移动机器人技术涉及到力学仿真、机构设计、智能控制、多传... 详细信息

随着社会的发展和科技的进步，全地形移动机器人研究越来越受到广泛的关注，其在军事、深空探索、自然灾害救援和野外科考作业等各个领域内彰显实力，发展前景不可估量。全地形移动机器人技术涉及到力学仿真、机构设计、智能控制、多传感器融合、环境感知、视觉导航、路径规划与追踪等各个方面。在充分研究国内外各种先进全地形移动机器人的基础上，本课题研制了一台地形适应能力和越障能力出色的全地形移动机器人，并申请了国家发明专利，该机器人具有一定的创新性和实用价值。本文通过对六轮全地形移动机器人的结构设计、运动学仿真、智能控制、计算分析以及实验研究，验证了该移动机器人具有极强的地形适应能力、卓越的越障性能（能够翻越5倍车轮半径的垂直台阶）、较强的抗倾覆能力、灵活的转向能力、较强的避障能力以及出色的承载能力等。本文首先以全地形移动机器人创新设计理念为指导，对六轮全地形移动机器人整体方案进行设计，以UG为设计平台，对六轮全地形移动机器人进行详细结构设计、制造和装配，以ADAMS为仿真平台，对六轮全地形移动机器人进行动力学仿真分析;然后对六轮全地形移动机器人控制系统结构及软件进行设计，主要包括控制系统总体方案设计、各控制单元功能介绍、控制系统电路接线、软件设置以及控制程序编写;之后对六轮全地形移动机器人进行了各项性能分析及实验研究，主要包括六轮全地形移动机器人测速、爬坡角度测量与分析、抗倾覆能力测试与分析、承载能力测试、续航能力测试、越障能力分析及实验、转向能力分析及实验和避障逻辑分析及实验等;最后对三维里程计算法进行了研究，得到了基于本六轮全地形移动机器人移动平台的运动学模型，并基于此模型进行了三维里程计计算，为今后基于此移动平台进行三维里程计实验研究提供了理论依据。本文的研究成果对全地形移动机器人的进一步研究和应用具有一定的参考价值和意义。

关键词：全地形移动机器人 UG ADAMS 控制系统越障性能

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全地形移动机器人车身结构分析与优化

工程设计学报 2021年第2期28卷 195-202页

作者：郑明军赵晨磊吴文江杨摄石家庄铁道大学机械工程学院河北石家庄050043 石家庄铁道大学教务处河北石家庄050043

为了提高全地形移动机器人车身结构的力学性能,提出了一种结合多体动力学、有限元分析与正交试验的优化方法。针对全地形移动机器人的满载弯曲和扭转工况,利用多体动力学分析获得了该移动机器人车身在运动中所受的外部载荷,并结合有限... 详细信息

为了提高全地形移动机器人车身结构的力学性能,提出了一种结合多体动力学、有限元分析与正交试验的优化方法。针对全地形移动机器人的满载弯曲和扭转工况,利用多体动力学分析获得了该移动机器人车身在运动中所受的外部载荷,并结合有限元分析获得了车身结构的动态力学性能参数,以验证极限工况下车身结构的力学性能。基于四因素三水平正交试验,研究了底板厚度、悬架支座厚度、悬架支座加强筋长度和增高支柱加强筋厚度对全地形移动机器人车身最大应力、最大变形量和质量的影响。利用灰色关联分析法对正交试验结果进行分析。通过对比各因素的灰色关联度获得了全地形移动机器人车身结构的最佳优化方案:底板厚度为5 mm、悬架支座厚度为2 mm、悬架支座加强筋长度为65 mm和增高支柱增设2 mm厚加强筋。分析结果表明,相较于原始方案,优化后全地形移动机器人车身在质量减小6.93%的同时,最大应力减小了12.47%,最大变形量减小了41.69%,说明该优化方案可在提高车身结构性能的同时减小车身质量和降低整车功耗,验证了所提出的优化方法的有效性。研究结果可为机械结构的动态力学性能分析与优化提供参考。

关键词：全地形移动机器人力学性能多体动力学正交试验灰色关联分析

基于动力学特性的全地形移动机器人机构优化设计研究

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基于动力学特性的全地形移动机器人机构优化设计研究

作者：何文鹏安徽工程大学

学位级别：硕士

全地形移动机器人作为一种集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多项功能于一体的通用移动平台,在沙土、丘陵、农场等崎岖地形作业中发挥着重要作用。目前,由于户外多地形作业需求增加,作业地形复杂程度增大,普通移动机器人已... 详细信息

全地形移动机器人作为一种集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多项功能于一体的通用移动平台,在沙土、丘陵、农场等崎岖地形作业中发挥着重要作用。目前,由于户外多地形作业需求增加,作业地形复杂程度增大,普通移动机器人已无法更好满足稳定可靠的作业要求,因此,全地形移动机器人正逐渐成为复杂地形作业领域最重要的智能装备之一。一直以来,全地形移动机器人复杂路面通过性和适应性是移动机器人研究领域的焦点,而力矩平衡机构与悬架减振机构相融性对路面通过性和适应性又有着重要影响,如何在融合悬架减振机构的基础上优化设计力矩平衡机构,提升力矩平衡机构与悬架减振机构M&S(Moment balancing mechanism And Suspension damping mechanism)相融性仍是研究者们亟需解决的问题。相融性问题主要体现在以下两个方面:一方面未考虑相融性的力矩平衡机构的引入会弱化减振效果,导致悬架和轮胎与地形不匹配,驱动力矩无法有效转化成牵引力;另一方面单纯考虑减振效果会导致驱动力矩平衡效果不佳,造成四轮驱动的不平衡,对驱动关节的力矩输出有较高要求。针对全地形移动机器人力矩平衡机构和悬架减振机构相融性的优化设计问题,论文具体研究内容如下:(1)全地形移动机器人驱动力矩分配机理研究。分析了全地形移动机器人的驱动力矩分配特性,揭示了全地形移动机器人的驱动力矩分配机理,指明了全地形移动机器人力矩平衡机构设计方向。(2)力矩平衡机构设计和M&S相融性研究。针对全地形移动机器人驱动力矩平衡分配问题,设计研究了一种力矩平衡机构,针对力矩平衡机构和悬架减振机构相融性问题,建立了基于全地形移动机器人具体结构特征的动力学模型,探索了路面激励在力矩平衡机构与悬架减振机构间的传递规律,明确了力矩平衡机构和悬架减振机构特性参数的优化设计思路。(3)力矩平衡机构和悬架减振机构(M&S)特性参数优化研究。针对影响力矩平衡机构和悬架减振机构相融性的特性参数协调优化问题,提出了用于全地形移动机器人特性参数优化的分层自适应NSGA-II优化算法,得到了算法改进前后的参数优化结果,奠定了力矩平衡机构与悬架减振机构相融效果验证实验的基础。(4)力矩平衡机构与悬架减振机构(M&S)特性参数协调匹配实验研究。围绕力矩平衡机构和悬架减振机构相融性问题开展了仿真实验与户外实验,得到了参数优化前后全地形移动机器人的驱动力矩差值和车身垂向加速度值,验证了参数协调匹配及优化的有效性,实现了驱动力矩平衡与车身减振的良好相融,增强了移动机器人路面通过性与行走平顺性。以全地形移动机器人为研究对象,根据驱动力矩分配特性设计力矩平衡机构,针对力矩平衡机构与悬架减振机构相融性问题进行分析,协同优化了力矩平衡机构与悬架减振机构特性参数,验证了力矩平衡机构和悬架减振机构的相融效果,提升了移动机器人动力学性能,为后续高精度运动控制奠定了基础。

关键词：全地形移动机器人力矩平衡机构悬架减振机构 NSGA-Ⅱ优化算法参数协调优化

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全地形移动机器人机械结构及控制系统设计

全地形移动机器人机械结构及控制系统设计

作者：王超星北京化工大学

学位级别：硕士

随着社会的发展,企业竞争的加剧,由工作人员配合机器人完成搬运任务的生产模式制约着企业的发展,此外,随着企业自动化程度的提高,搬运机器人的应用领域逐渐扩大,机器人的工作环境变的复杂多样,因此对于能够适应复杂地形环境的移动机器... 详细信息

随着社会的发展,企业竞争的加剧,由工作人员配合机器人完成搬运任务的生产模式制约着企业的发展,此外,随着企业自动化程度的提高,搬运机器人的应用领域逐渐扩大,机器人的工作环境变的复杂多样,因此对于能够适应复杂地形环境的移动机器人需求越来越高。搭载机械臂的移动机器人以其运动灵活、环境适应性强、效率高等优点,逐渐成为物流搬运设备的主要研究方向。本文以合作项目“AGV机器人技术开发”为依托,对全地形移动机器人的机械结构和控制系统进行研究,主要研究内容如下:(1)根据企业生产线搬运工作需求和移动机器人工作环境,分析移动机器人功能需求确定移动机器人的技术指标,进行移动机器人总体方案设计,包括机械系统方案设计和控制系统方案设计。(2)根据机械系统设计方案利用Solidworks完成行走机构、动力及传动机构、悬架结构及其他机械部件的三维图设计。利用ADAMS软件完成悬架结构参数优化设计。利用Solidworks的Simulation工具完成对关键部件的有限元分析。(3)根据机械系统设计,进行移动机器人运动学模型建立,运用ADAMS软件对移动底盘进行运动学仿真分析,运用Matlab对机械臂进行了运动学仿真分析。建立移动机器人越障动力学模型,对移动机器人越障能力影响因素深入分析,运用ADAMS软件对移动机器人进行动力学仿真分析。(4)基于工业平板电脑和运动控制卡的移动机器人控制系统总体方案,进行导航模块、机械臂运动控制模块、RFID功能设置模块、异常处理模块和IO状态监控模块设计,并基于VisualStudio2012编写控制系统软件,实现自主导航、站点识别、运动控制、状态监控等功能。(5)进行全地形移动机器人样机研制,搭建试验平台对移动机器人进行原地转向误差、移动速度、越障性能和物品搬运性能试验。通过试验测试所研制的全地形移动机器人是否满足设计要求以及是否能够完成搬运任务。

关键词：全地形移动机器人运动学建模越障动力学建模控制系统性能试验