文摘
rocker-bogie悬挂系统强大的功能来处理不均匀地形因其分布的载荷对其六个轮子均匀,虽然有一个主要缺点高速平面地形遍历。本文提出一种新的动态rocker-bogie悬架系统两种操作模式:它可以扩大rocker-bogie支持张成的空间多边形地形时提高旅行速度平面;它可以切换到原来的配置将低速时面临着崎岖的地形。分析动态稳定裕度和运动学仿真的两种操作模式,采用rocker-bogie分析并验证修改结构的合理性和有效性。
1。介绍
全地形移动机器人不同于其他普通的移动机器人,因为他们认为非结构化地形和环境的影响(1]。因此,这些机器人可以有效地在自然地形可能是倾斜的,粗糙的,变形(2),在深太空探索等领域使用(3,4],安全和营救[5,6),和军用和民用应用程序(7,8]。
为了确保任务成功完成,这是一个关键问题来设计和优化全地形移动机器人的悬挂系统,以改善其移动性能。由于其强大的功能来处理障碍,rocker-bogie悬挂系统成功地用于寄居的火星探测器,MER(火星探测器),和最新的韩剧(火星科学实验室)9]。然而,rocker-bogie悬挂系统仍有些缺点。首先,运行的平均速度是非常缓慢的。第二,它让rocker-bogie系统不适合高速的情况下需要遍历在hard-flat表面覆盖大部分地区很短的时间。
根据实现更大的稳定裕度在高速遍历不丢失原来的配置,一个新的动态rocker-bogie悬挂系统,与原有两种操作模式,可以切换配置和高速遍历配置,介绍了。高速的遍历模式rocker-bogie悬架系统,它可以扩大rocker-bogie支持张成的空间多边形时提高速度继续hard-flat地形或凹凸不平的地形与小障碍。另一方面,它可以自动切换到原来的配置将低速时面对不平的地形,重大障碍。
本文的其余部分组织如下。节2,我们建议修改rocker-bogie悬架系统的结构增加张成的空间多边形的支持。节3稳定裕度,我们分析得出结构修改的稳定措施。由Adams仿真分析和验证部分所示4。最后,给出了结论部分5。
2。修改Rocker-Bogie悬架系统的结构
rocker-bogie悬架系统是一种被动的无弹性的和对称的机制。两边的rocker-bogie摇臂和转向架:摇臂连接到后轮,中间轮转向架和前轮连接。双方rocker-bogie连接的微分酒吧依附于主体,这确保了六个轮子与地面接触所有的时间提供一个稳定的平台科学仪器和传感器,如图1。
rocker-bogie悬架系统擅长处理障碍和优秀traversability。然而,基于rocker-bogie机器人必须在很低的平均速度,以确保稳定的旅游(10]。在某些情况下,移动机器人主要面对稍不均匀地形有很少重大障碍。这就是为什么我们建议配置修改,扩大张成的空间多边形增加traversability rocker-bogie系统支持。然而,当它需要处理障碍,可以切换到原来的配置没有失去其本地强大的能力。原配置的三维模型和提出的高速配置介绍图遍历2。
(一)
(b)
如图2所示,原始配置只能旋转在俯仰轴位于前面摇臂的一部分。修改结构rocker-bogie悬架系统是基于在添加一个旋转轴Y飞机的转向架,转向架的偏航方向不同。因此,新的高速遍历机制可以改变外支持多边形的位置点,增加与地面接触的面积的大小。
这一修改配置可以实现一个灵活、高效的车辆通过性:一个rocker-bogie系统,两种操作模式。当移动机器人面临着重大障碍,它需要保持原有的配置和克服它们以较低速度,确保稳定。当移动机器人面临hard-flat地形或略不平坦的地形,它将切换到高速旋转转向架在遍历配置X飞机,在高速移动时保持良好的稳定性。
3所示。分析动态稳定高速遍历提高利润率
就像前面提到的2新的高速遍历机制是基于在添加一个旋转轴Y平面的多边形转向架,以扩大其支持,使它更稳定,适应性强而在高速移动。然后,有多少角度旋转转向架的优化所需的高速模式位置?因为它使用静态稳定性的因素进行了分析(SSF)规11]Solidworks软件仿真和验证的12),一旦系统其妖怪45度旋转到所需的高速模式位置,罗孚的支持多边形是达到一个更大的接触面积扩大。
社保基金度量应用于(12)服和纯粹的几何分析和评估静态稳定裕度,但它不考虑任何动态的影响。为了进一步分析我们的高速遍历配置动态稳定性的有效性,我们选择得出稳定指标(13)来代替社保基金度量。这个新的度量其稳定性判据关注tipover效应发生在移动系统经历减少地面接触点由于旋转。
一个平面的例子,这个例子强调了图形的性质得出稳定指标证明了图3。平面的质心(CM)系统是一个合力,这是力量的总和作用于移动系统除了支持反应部队。这个力矢量角两个角度,和,两个tipover轴法线和和行为沿着一条直线的距离和分别从两个tipover轴。得出稳定指标给出的产品吗,,,制定如下:
系统的稳定裕度得到的最小值。移动系统,如果我们能增加所涉及的参数的值(1)的价值将变大,系统的稳定裕度会提高使车辆能够旅行具有较高的稳定性。
关键tipover稳定时发生趋于零,也就是说,任何时候,,或变成了零。这个角成为零合力共面时的tipover轴,这是典型的方式tipover出现不稳定。如果在描述的锥之外和,角变得消极和tipover正在进行中。的距离成为零的合力是共面与一个tipover轴或系统配置管理方法之一tipover轴。注意,这两个几何参数,和,描述系统的稳定裕度tipover [14]。
所有的车辆与地面接触点,只需要考虑那些最外层点形成一个凸多边形的支持当投影到水平面上,这是wheel-terrain接触点(14]。因此,我们建立了3 d得出稳定测量图的原始配置和高速遍历配置,分别如图4。
(一)
(b)
一致的配方,参数编号后按升序右手定则,拇指向下的重力向量;也就是说,地面接触点从上方看顺时针顺序编号。线连接地面接触点是候选人tipover模式轴,,这些线的集合称为多边形的支持。
为了增加系统的稳定裕度,我们应该使产品的价值最大化,,。如图4,得出稳定度规中间轮是最小值,正如我们之前提出。因此,我们选择中间轮两种构型的焦点。
在相同的条件下,价值的合力作用于原始配置,的价值,等于合力作用于高速遍历配置。然而,包括角竖直维度的原始配置值小于和高速的遍历配置;因此,原始配置的稳定裕度,,小于高速遍历配置,。
基于上述分析,rocker-bogie暂停机制有一个更大的稳定裕度高速遍历增强后,使它以很高的速度旅行时更稳定。此外,当转向架的45度旋转完成后,探测器的支持多边形是达到一个更大的接触面积扩大12]。此次扩大接触面积为罗孚的质心(CM)在一个大的轨道基础,使它更健壮的对负载转移由于内部和外部力量的互动。
4所示。运动学仿真Rocker-Bogie的两种操作模式
在文献[12),这两个操作模式的rocker-bogie Solidworks软件进行了测试,利用多体动力学运动分析;因此,这些模拟获得的数据与静态稳定裕度(即形成对比。,重心位置)的结果。
为了实现运动学仿真rocker-bogie系统上,我们使用Adams软件分析和验证rocker-bogie两种操作模式的两个预定义的场景:场景1,地形呈现障碍的高度小于车辆车轮的半径;场景2,地形主要是覆盖着障碍,超越前面提到的汽车车轮的半径。
此外,为了全面衡量和验证tipover rocker-bogie的两种操作模式的稳定性不平坦的地形,rocker-bogie系统的稳定表达和评价与每个轴:横向稳定性(稳定辊),定向稳定(偏航稳定),纵向稳定性(沥青稳定)。
4.1。场景1的仿真结果
是由亚当斯的3 d模型,如图5。我们设立了四个分段障碍分布在一个平面上,每一个障碍都是150毫米的高度,这是小于车轮的半径,和车轮转速是100度/秒。rocker-bogie悬挂的技术参数如表所示1。动态性能曲线如图7,8,9。固体红线图中描述了原始配置的动态性能;冲蓝线描述高速遍历的动态性能配置。
主体的垂直方向的质心图所示6,图中的数据6表所示2。模拟运行12秒后,所有六个轮子的车辆参与障碍在地形崎岖的地形。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(d)
厘米的位移的变化过程是全地形移动机器人的稳定性评价的基础上,这通常会影响结构的稳定性。从表中,CM位移的改变原始配置的一点五倍高速遍历配置。总的来说,后者表现的更好。
曲线的偏航、俯仰和滚角变化的主体如图7和图中的数据7表所示3。
偏航的变异范围,球场上,在这个过程中,直接影响到车辆的稳定性,结果表明,three-variation范围约为50%高于高速模式。角变化越小,小的概率车辆翻倒。
的变化速度、加速度、角速度、角加速度的主体如图8,图中的数据8表所示4。
通过对比分析,我们可以看到,所有指标rocker-bogie高速遍历配置的变化范围小于rocker-bogie原始的配置,和高速的曲线配置更改都较为平缓没有暴力的改变,而在原始配置的曲线存在明显变化,这可能会导致车辆翻倒。因此,我们得出结论,高速遍历配置比原始配置更稳定,使它更适合这提议的场景。
4.2。场景2的仿真结果
Traversability反映了移动机器人的能力适应重要的崎岖的地形。移动机器人将迎战各种障碍的道路上,与那些最严重的垂直于表面。因此,移动机器人的能力克服垂直障碍反映其traversability功能。为此,我们开发了地形如图9。每一个障碍都是垂直于地面;第一势垒的高度为180毫米,然后每一个障碍的高度比上一个20毫米高。rocker-bogie悬挂的技术参数与前面提到的相同部分4.1。
最后的仿真如图10。高速遍历配置可以跨越障碍的280毫米,但转向架推翻当穿越障碍的300毫米;因此,机器人不能再进一步。然而,400毫米的原始配置可以穿过屏障没有任何tipover情况,但后轮被困在攀爬420毫米的屏障。
前轮之间的距离和转向架在最初配置的中心长相比,高速遍历的一个配置。前轮需要更大的力,导致前轮的扭矩的重要变化,导致车辆倾覆。我们将展示在图11在前轮扭矩的变化。
(一)
(b)
我们可以看到在图11当障碍高度低于车轮半径,前轮力矩两种构型的差异但他们不是很重要。当障碍物的高度逐渐高于车轮的半径,这两种配置的转矩之间的差异越来越明显。遍历配置高速扭矩的变化变得越来越重要和暴力;当前轮的扭矩变化超过一定限制,车辆tipover发生。
从上面的分析,很明显,高速遍历配置具有更好的动态性能与小地形障碍,但当它面临着重大障碍,尤其是当障碍物的高度大于车轮的半径,原始配置更好的性能比高速遍历配置,这就是为什么我们需要保持两种操作模式。
5。结论
在本文中,我们的工作集中在两个领域:分析高速动态稳定裕度的遍历rocker-bogie增强;(2)在两种操作模式的rocker-bogie运动学仿真。这个想法,一个rocker-bogie系统两种操作模式,有助于提高有效性和效率的全地形移动机器人。这种结构性增强能使rocker-bogie更具有适应能力和高效的情况下,需要高速的遍历或处理的表面,需要一种更健壮的性能在艰难的障碍。
对于未来的工作,我们计划我们的研究扩展到一个领域实验阶段,使用一个试验台车辆原型对比和比较得到的模拟结果与实际观测的系统的行为,希望继续加强车辆的稳定性。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。