基于VCM的自适应越障机器人优化设计

　　摘　　　要:虚拟运动中心(VCM,VirtualCenter ofMotion)机构实质上是一种少自由度的功能机构,根据VCM机构的特点,将其应用到被动式自适应越障机器人的设计中,提高了机器人越障性能.通过分析VCM位置与前导轮轮心的位置关系,优化了前导机构的结构参数.利用VCM的特点简化了前导机构的静力学模型,通过量化的对比分析了悬挂在前导机构的弹簧在改善机器人整体力学性能中的作用,并优化了弹簧的安装位置.试验中优化后样机可以平稳的翻越约2. 1倍轮子直径高的竖直台阶障碍,并且可以连续攀登单阶1. 27倍轮子直径高楼梯和自适应各种复杂地面.

　　移动机器人主要通过2种形式来适应复杂地形,一种是主动式的,即通过传感器探测地形,根据探测信息由额外的驱动器主动调整移动机构以适应地形,如美国JPL实验室的SRR机器人通过改变驱动轮的位置来调整重心以适应地形[1-4].另一种是被动式的,地形的变化将促使机器人移动机构发生被动的变形,通过变形来适应地形.美国Sojourner机器人的rocker-bogie结构就是典型的通过被动变形来适应地形的移动机构[5].被动式移动机构比主动式移动机构需要更少的传感器和驱动器,可以节省成本,而且不需要结构本身的主动变形去适应复杂的地面环境,可以节省有限的资源来完成更加重要和紧急的任务.本文根据四边形机构存在瞬时虚拟运动中心(VCM,VirtualCenter ofMotion)的特点,将其应用到复杂地形移动机器人的结构设计中.

　　1　机构介绍

　　如图1所示,本机器人由前导机构、爬升机构、支撑机构和车架4部分组成.其中前导机构为一个单边固定在车架上的四边形机构,在越障过程中起关键作用;爬升机构为两边对称的2个平行四边形机构,越障中在前导机构的基础上进一步提升车体重心;支撑机构固定在车架上,在越障过程中起支撑推进作用.前导机构和支撑机构各有一个驱动轮构成,并分别用一个舵机控制其转向,使机器人可以原地转弯.爬升机构的每个平行四边形机构都有2个驱动轮,通过铰链悬挂在机架上,可以绕着铰链旋转以适应各种地形,并且具有自稳特性.

　　2　前导机构的分析与优化

　　前导机构在机器人越障过程中起着至关重要的作用,主要体现在如下2方面:

　　1)在前导轮接触障碍物的时候,前导机构将产生被动运动,使前导轮能够沿着障碍物外轮廓运动最终引导带动机器人整体翻越障碍物;

　　2)四边形变形过程中将压缩其上安装的弹簧,弹簧的反作用力将保证车体六轮与地面的紧密接触.对前导机构的优化将从运动学和静力学2方面进行.

　　2. 1　运动学分析与优化