CN104931279A - 小型履带移动机器人牵引特性测试平台 - Google Patents

Abstract

小型履带移动机器人牵引特性测试平台，属于驱动牵引特性控制领域。解决现有技术中履带式移动机器人不能同时测试土壤下陷、滑动率和牵引力的问题。它包括带有编码器的车轮、前激光位移传感器、电源及信号处理箱、后激光位移传感器和拉力计；电源及信号处理箱的拉力信号输入端与拉力计的数据信号输出端连接，电源及信号处理箱的第一位移信号输入端与前激光位移传感器的位移信号输出端连接，电源及信号处理箱的第二位移信号输入端与后激光位移传感器的位移信号输出端连接，前激光位移传感器和后激光位移传感器通过同一个刚性悬臂梁固定在被测履带机器人的车体上。它主要用在履带移动机器人上。

Description

小型履带移动机器人牵引特性测试平台

技术领域

本发明属于驱动牵引特性控制领域。

背景技术

履带式移动平台具有较高机动性、一定的越障能力和环境适应能力,其姿态可控性可以满足稳定的视觉***、操作臂准确作业等的作业需求,由此得到了广泛的应用。特别是在面临着复杂、未知、多变的非结构环境时,它能够在有限的空间内，既尽可能扩大与地面接触面积，又能吸收由于地面结构突变等因素引起的振动，其结构紧凑，能够满足机器人缓冲吸振的要求。

对机器人来说,运动能力是最基本、最重要的首要前提。以机器人能够具有较高的运动能力和机动性为目标,如何建立准确的行驶动力学模型成为研究移动机器人适应复杂地面环境的首要问题，近几年，国内外学者利用计算地面力学建立行驶机构与地面作用模型，分析行驶机构与地面作用机理、建立牵引特性计算方法成为研究热点。在实验研究方面，牵引力实验主要集中于星球车及大中型越野车辆方面，极少有针对小型履带式机器人的牵引力实验研究，特别是针对于多种地面下的履带机器人的牵引特性研究。

随着履带式移动机器人应用的不断深入，室外地面环境更加复杂。在未知的地面环境中，不同类型土壤的性质截然不同，对于硬质性地面，履带机器人对土壤的通过性较好，而对于软土地面，土壤的抗剪切强度较小，能为机器人提供的牵引力有限。

传统的利用库仑定律建立的行驶动力学模型只是通过土壤参数以及简化的履带模型对牵引力进行估计，没有具体研究土壤下陷、履带变形及滑动率的问题。同时在实验研究方面，牵引力实验主要集中于星球车及大中型越野车辆方面，极少有针对小型履带式机器人的牵引力实验研究，特别是针对于多种地面下的履带机器人的牵引特性研究。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中履带式移动机器人不能同时测试土壤下陷、滑动率和牵引力的问题，本发明提供了一种小型履带机器人牵引特性测试平台。

小型履带机器人牵引特性测试平台，它包括带有编码器的车轮、前激光位移传感器、电源及信号处理箱、后激光位移传感器和拉力计；

电源及信号处理箱固定在被测履带机器人的车体上，

电源及信号处理箱用于给前激光位移传感器、拉力计、后激光位移传感器和带有编码器的车轮中的编码器供电，

带有编码器的车轮通过浮动连接***固定在被测履带机器人的车体前部，拉力计通过型材支架固定在被测履带机器人的车体后部，

电源及信号处理箱的拉力信号输入端与拉力计的数据信号输出端连接，电源及信号处理箱的第一位移信号输入端与前激光位移传感器的位移信号输出端连接，电源及信号处理箱的第二位移信号输入端与后激光位移传感器的位移信号输出端连接，

前激光位移传感器和后激光位移传感器通过同一个刚性悬臂梁固定在被测履带机器人的车体上，且前激光位移传感器位于被测履带机器人的车体前方，后激光位移传感器位于被测履带机器人的车体后方，

前激光位移传感器和后激光位移传感器以被测履带机器人为中心对称设置。

所述的电源及信号处理箱获得被测履带机器人的下陷量的具体过程为，

在被测履带机器人静止状态下，以被测履带机器人前轮与地面接触点为原点，在水平面内建立坐标系，以被测履带机器人前进方向为X轴，垂直X轴方向为Z轴建立平面，

在坐标系xoz内，电源及信号处理箱采集获得前激光位移传感器与地面距离为l₁mm、后激光位移传感器与地面距离为l₂mm及被测履带机器人本体对地倾斜角度为δ度，设定路面保持水平，且路面相对于x轴的高度为z₀mm，则被测履带机器人处于运动过程中，在t时刻的后轮的下陷量为h＝(z₀-z₁)，

根据前激光位移传感器的坐标(x_前，z_前)、后激光位移传感器的坐标(x_后,z_后)及前激光位移传感器与后激光位移传感器的相对距离L，有以下关系：

z₁+l₂＝z_后      (1)

z₀+l₁＝z_前       (2)，

z_前-Lsinδ＝z_后      (3)

通过公式(1)至公式(3)获得被测履带机器人后轮下陷量h：

h＝(z₀-z₁)＝l₂+Lsinδ-l₁       (4)，

其中，z₁表示被测履带机器人运动时，被测履带机器人后轮相对于x轴的高度。

所述的电源及信号处理箱获得被测履带机器人的滑动率的具体过程为：

在被测履带机器人运动的过程中，通过带有编码器的车轮中的编码器，电源及信号处理箱获得带有编码器的车轮的角速度ω_小轮，将角速度ω_小轮代入如下公式中，获得被测履带机器人的滑动率i：

其中，ω_驱动轮表示被测履带机器人的驱动轮的角速度，r_小轮表示带有编码器的车轮的半径，r_驱动轮表示被测履带机器人的驱动轮的半径。

建立履带式移动机器人牵引特性分析平台，研究其牵引特性对合理设计优化履带机器人结构参数，提高机器人适应复杂地面环境的能力，履带机器人在某一类土壤上前进时，通过基于地面力学建立的牵引力影响模型预测该类土壤的地面力学参数进而预测在一定滑动率下土壤能为机器人提供的牵引力，能够有效地实现机器人的运动控制,从而使机器人在运动过程中尽量减小滑行,提高运动能力,减少能耗,有效完成作业任务。

本发明带来的有益效果是，本发明搭建的小型履带移动机器人牵引特性测试平台能够同时测量多种数据，供后续履带移动平台的控制。所有的传感器都通过型材支架安装到履带机器人上，均可拆卸，可以测试不同的履带机器人与地面相互作用的信息数据。

可通过测量数据建立挂钩牵引力-滑动率关系和牵引力-下陷量关系建立辨识表征不同地面类型的土壤参数，在拆除平台附件之后，能够预测该类土壤的地面力学参数进而预测在一定滑动率和下陷量下土壤能为机器人提供的牵引力。

附图说明

图1为本发明所述的小型履带机器人牵引特性测试平台的原理示意图；

图2为具体实施方式二中，被测履带机器人处于下陷状态时的原理示意图；

图3为具体实施方式二中，坐标系xoz内被测履带机器人的下陷量测量图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的小型履带机器人牵引特性测试平台，它包括带有编码器的车轮1、前激光位移传感器2、电源及信号处理箱5、后激光位移传感器7和拉力计8；

电源及信号处理箱5固定在被测履带机器人4的车体上，

电源及信号处理箱5用于给前激光位移传感器2、拉力计8、后激光位移传感器7和带有编码器的车轮1中的编码器供电，

带有编码器的车轮1通过浮动连接***固定在被测履带机器人4的车体前部，拉力计8通过型材支架固定在被测履带机器人4的车体后部，

电源及信号处理箱5的拉力信号输入端与拉力计8的数据信号输出端连接，电源及信号处理箱5的第一位移信号输入端与前激光位移传感器2的位移信号输出端连接，电源及信号处理箱5的第二位移信号输入端与后激光位移传感器7的位移信号输出端连接，

前激光位移传感器2和后激光位移传感器7通过同一个刚性悬臂梁固定在被测履带机器人4的车体上，且前激光位移传感器2位于被测履带机器人4的车体前方，后激光位移传感器7位于被测履带机器人4的车体后方，

前激光位移传感器2和后激光位移传感器7以被测履带机器人4为中心对称设置。

本实施方式中，牵引力测量由被测履带机器人4匀速运动时，通过拉力计8拖动重物块9来测量。

在被测履带机器人4外部添加激光位移传感器、前小轮测距机构、拉力计等可拆卸元件获得机器人履带-地面作用下比较完整全面的数据信息根据计算数据作图并通过多项式拟合曲线，建立挂钩牵引力-滑动率关系和牵引力-下陷量关系建立辨识表征不同地面类型的土壤参数。

具体实施方式二：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的小型履带机器人牵引特性测试平台的区别在于，所述的电源及信号处理箱5获得被测履带机器人4的下陷量的具体过程为，

在被测履带机器人4静止状态下，以被测履带机器人4前轮与地面接触点为原点，在水平面内建立坐标系，以被测履带机器人4前进方向为X轴，垂直X轴方向为Z轴建立平面，

在坐标系xoz内，电源及信号处理箱5采集获得前激光位移传感器2与地面距离为l₁mm、后激光位移传感器7与地面距离为l₂mm及被测履带机器人4本体对地倾斜角度为δ度，设定路面保持水平，且路面相对于x轴的高度为z₀mm，则被测履带机器人4处于运动过程中，在t时刻的后轮的下陷量为h＝(z₀-z₁)，

根据前激光位移传感器2的坐标(x_前，z_前)、后激光位移传感器7的坐标(x_后,z_后)及前激光位移传感器2与后激光位移传感器7的相对距离L，有以下关系：

z₁+l₂＝z_后       (1)

z₀+l₁＝z_前      (2)，

z_前-Lsinδ＝z_后     (3)

通过公式(1)至公式(3)获得被测履带机器人4后轮下陷量h：

h＝(z₀-z₁)＝l₂+Lsinδ-l₁     (4)，

其中，z₁表示被测履带机器人运动时，被测履带机器人后轮相对于x轴的高度。

本实施方式中，被测履带机器人4本体对地倾斜角度为δ度可有现有技术中测量角度的工具实现。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的小型履带机器人牵引特性测试平台的区别在于，所述的电源及信号处理箱5获得被测履带机器人4的滑动率的具体过程为：

在被测履带机器人4运动的过程中，通过带有编码器的车轮1中的编码器，电源及信号处理箱5获得带有编码器的车轮1的角速度ω_小轮，将角速度ω_小轮代入如下公式中，获得被测履带机器人4的滑动率i：

其中，ω_驱动轮表示被测履带机器人4的驱动轮的角速度，r_小轮表示带有编码器的车轮1的半径，r_驱动轮表示被测履带机器人4的驱动轮的半径。

Claims (3)

1.小型履带机器人牵引特性测试平台，其特征在于，它包括带有编码器的车轮(1)、前激光位移传感器(2)、电源及信号处理箱(5)、后激光位移传感器(7)和拉力计(8)；

电源及信号处理箱(5)固定在被测履带机器人(4)的车体上，

电源及信号处理箱(5)用于给前激光位移传感器(2)、拉力计(8)、后激光位移传感器(7)和带有编码器的车轮(1)中的编码器供电，

带有编码器的车轮(1)通过浮动连接***固定在被测履带机器人(4)的车体前部，拉力计(8)通过型材支架固定在被测履带机器人(4)的车体后部，

电源及信号处理箱(5)的拉力信号输入端与拉力计(8)的数据信号输出端连接，电源及信号处理箱(5)的第一位移信号输入端与前激光位移传感器(2)的位移信号输出端连接，电源及信号处理箱(5)的第二位移信号输入端与后激光位移传感器(7)的位移信号输出端连接，

前激光位移传感器(2)和后激光位移传感器(7)通过同一个刚性悬臂梁固定在被测履带机器人(4)的车体上，且前激光位移传感器(2)位于被测履带机器人(4)的车体前方，后激光位移传感器(7)位于被测履带机器人(4)的车体后方，

前激光位移传感器(2)和后激光位移传感器(7)以被测履带机器人(4)为中心对称设置。

2.根据权利要求1所述的小型履带机器人牵引特性测试平台，其特征在于，所述的电源及信号处理箱(5)获得被测履带机器人(4)的下陷量的具体过程为，

在被测履带机器人(4)静止状态下，以被测履带机器人(4)前轮与地面接触点为原点，在水平面内建立坐标系，以被测履带机器人(4)前进方向为X轴，垂直X轴方向为Z轴建立平面，

在坐标系xoz内，电源及信号处理箱(5)采集获得前激光位移传感器(2)与地面距离为l₁mm、后激光位移传感器(7)与地面距离为l₂mm及被测履带机器人(4)本体对地倾斜角度为δ度，设定路面保持水平，且路面相对于x轴的高度为z₀mm，则被测履带机器人(4)处于运动过程中，在t时刻的后轮的下陷量为h＝(z₀-z₁)，

根据前激光位移传感器(2)的坐标(x_前，z_前)、后激光位移传感器(7)的坐标(x_后,z_后)及前激光位移传感器(2)与后激光位移传感器(7)的相对距离L，有以下关系：

z₁+l₂＝z_后      (1)

z₀+l₁＝z_前      (2)，

z_前-Lsinδ＝z_后     (3)

通过公式(1)至公式(3)获得被测履带机器人(4)后轮下陷量h：

h＝(z₀-z₁)＝l₂+Lsinδ-l₁     (4)，

其中，z₁表示被测履带机器人运动时，被测履带机器人后轮相对于x轴的高度。

3.根据权利要求1所述的小型履带机器人牵引特性测试平台，其特征在于，所述的电源及信号处理箱(5)获得被测履带机器人(4)的滑动率的具体过程为：

在被测履带机器人(4)运动的过程中，通过带有编码器的车轮(1)中的编码器，电源及信号处理箱(5)获得带有编码器的车轮(1)的角速度ω_小轮，将角速度ω_小轮代入如下公式中，获得被测履带机器人(4)的滑动率i：

其中，ω_驱动轮表示被测履带机器人(4)的驱动轮的角速度，r_小轮表示带有编码器的车轮(1)的半径，r_驱动轮表示被测履带机器人(4)的驱动轮的半径。