轮式搜救机器人地形自适应机构设计及越障性能分析

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.059

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (5): 579-589 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.059

机械系统动力学

轮式搜救机器人地形自适应机构设计及越障性能分析

赵迪(

),陈果,陈小利,王熊锦

湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉 430068

Terrain adaptive mechanism design and obstacle-surmounting performance analysis of wheeled search and rescue robot

Di ZHAO(

),Guo CHEN,Xiaoli CHEN,Xiongjin WANG

School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China

全文: PDF(2923 KB) HTML

摘要：

针对复杂地形环境下搜救机器人越障性能的要求，设计了一种轮式搜救机器人的被动地形自适应机构，并对其越障性能进行了分析。首先，在分析传统越障机构的基础上，开展了地形自适应机构的选型，并结合遗传算法对其进行优化，完成了对轮式搜救机器人被动地形自适应机构的设计。然后，基于达朗贝尔原理建立了轮式搜救机器人的动力学模型，并对其越障能力进行了分析与计算。最后，建立轮式搜救机器人的多刚体动力学模型，开展了越障性能仿真，并与理论计算结果进行了对比。对比结果验证了轮式搜救机器人的越障及地形自适应能力。研究结果可为轮式搜救机器人样机的搭建及后续研究的开展提供理论依据。

关键词： 轮式搜救机器人; 被动地形自适应; 遗传算法; 动力学建模与仿真

Abstract:

Aiming at the requirements of obstacle-surmounting performance of search and rescue robots in complex terrain environment, a passive terrain adaptive mechanism for wheeled search and rescue robot is designed, and its obstacle-surmounting performance is analyzed. Firstly, based on the analysis of traditional obstacle-surmounting mechanism, the terrain adaptive mechanism was selected and optimized by genetic algorithm, so that the design of passive terrain adaptive mechanism for wheeled search and rescue robot was completed. Then, the dynamics model of wheeled search and rescue robot was established based on the D'Alembert principle, and its obstacle-surmounting ability was analyzed and calculated. Finally, a multi-rigid-body dynamics model of wheeled search and rescue robot was established, and its obstacle-surmounting performance simulation was carried out and compared with the theoretical calculation results. The comparison results verified the ability of obstacle-surmounting and terrain adaptation of the wheeled search and rescue robot. The research results can provide a theoretical basis for the prototype construction and subsequent research of wheeled search and rescue robots.

Key words: wheeled search and rescue robot passive terrain adaptation genetic algorithm dynamics modeling and simulation

收稿日期: 2022-05-18 出版日期: 2023-11-03

CLC:

TH 132

基金资助: 国家重大科技计划资助项目(BS318J009)

作者简介: 赵迪（1981—），男，湖北武汉人，副教授，博士，从事机械设计及理论、智能机器人、机器人遥操作和虚拟现实等研究，E-mail: zhd_hbut@126.com，https://orcid.org/0009-0008-9288-9535

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赵迪,陈果,陈小利,王熊锦. 轮式搜救机器人地形自适应机构设计及越障性能分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 579-589.

Di ZHAO,Guo CHEN,Xiaoli CHEN,Xiongjin WANG. Terrain adaptive mechanism design and obstacle-surmounting performance analysis of wheeled search and rescue robot[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(5): 579-589.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.059 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I5/579

图1 被动地形自适应机构单元

图2 攀爬机构几何结构

图3 攀爬机构几何模型

设计变量	取值范围
$θ 0$	$20 ° ~ 120 °$
$L 2$	$200 ~ 350 ? m m$
$L 3$	$110 ~ 260 ? m m$

表1 攀爬机构设计变量的取值范围

图4 越障机构几何结构

图5 越障机构几何模型

设计变量	取值范围
$θ 1$	$30 ° ~ 90 °$
$L 6$	$200 ~ 400$ mm
$L 7$	$100 ~ 300$ mm

表2 越障机构设计变量的取值范围

图6 遗传算法求解流程

图7 攀爬机构的优化求解过程

图8 越障机构的优化求解过程

参数	量值	参数	量值
$L 1$	110 mm	$L 8$	537 mm
$L 2$	277 mm	L	750 mm
$L 3$	160 mm	d	800 mm
$L 4$	310 mm	R	150 mm
$L 5$	400 mm	$θ 0$	20 $°$
$L 6$	224 mm	$α$	158 $°$
$L 7$	150 mm	$γ$	165 $°$

表3 被动地形自适应机构的结构尺寸及初始姿态参数

图9 轮式搜救机器人被动地形自适应机构的整体布局

图10 轮式搜救机器人的越障过程

图11 轮式搜救机器人前轮越障受力分析

图12 轮式搜救机器人中轮越障受力分析

图13 轮式搜救机器人后轮越障受力分析

图14 轮式搜救机器人多刚体动力学模型

图15 轮式搜救机器人越障过程仿真结果

图16 轮式搜救机器人越障性能仿真结果

图17 轮式搜救机器人质心俯仰角变化曲线

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