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智能“越野” 机器人设计

对于人类无法进入的区域,操作性强和易于应对崎岖地形的汽车变得非常必要。举例来说:调查矿山事故,搜索无法进入的建筑工地,探测地雷,甚至远远超过了探索其他行星的要求。这些应用
关键词: 机器人 控制系统
时间:2014-04-27 15:56 来源:物联网在线 作者:Ioter 点击:

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对于人类无法进入的区域,操作性强和易于应对崎岖地形的汽车变得非常必要。举例来说:调查矿山事故,搜索无法进入的建筑工地,探测地雷,甚至远远超过了探索其他行星的要求。这些应用要求满足高度可靠性、冗余性和自主性,新型“Shrimp”概念车要集成所有特征。

现代计算机和传感器技术可完美应用于快速可靠的数据采集。即使是恶劣环境都不再是问题,如火山、熔炉及核电站内部工作。不幸的是,这项技术一直有一个缺点:它缺乏可移动性。到目前为止,因缺乏携带仪器的通用性概念车,未知领域的研究受到了阻碍。


当然,“越野”车也有许多概念和设计。当近距离观察所有设计方案时,它们显然都是基于一些切实可行的解决方案。首先,“履带式”车辆依靠一种简单而又行之有效的技术。还有所谓的“迈步式”车辆,经现代控制技术改进,其达到了更好的效果。最后同样重要的是轮式车辆,它是一种最广泛使用的解决方案。这些解决方案都各有其利弊。

移动智能“越野”(机器人网)  

以履带式车辆为例,这种车辆易于驾驶,在崎岖地形上也畅行无阻,可在非常狭窄的空间自由转弯,但他们需要一种相对较高的驱动功率。这种车辆也比较重,机箱有大量的磨损。为了正常运行,行驶机器时,需要复杂、主动的位置控制,至少在可预见的未来也必然会相当缓慢。事实上,在平整地面上行驶要比在崎岖地形上快得多。轮式车辆也易于驾驶,具又较强的可操作性。此外,轮式车辆较轻,因而需要较小的驱动功率。轮式车辆不仅能够克服崎岖地形的更大障碍,还可在平整地形上高速行驶。

因此,巴黎高等洛桑联邦理工学院(EPFL)自治系统实验室(ASL)决定将轮式车作为其新概念车的选择。这一领域的以往解决方案存在着缺点,即它是专为崎岖地形设计或平整地形设计的。新“Shrimp Rover”是专为这两种应用而设计的通用车辆。

移动智能“越野”(机器人网)

概念

车辆基本上是以全轮驱动概念为基础。这是利用最好牵引力保证最佳驱动功率传到车轮的唯一途径。单轮驱动系统的积极的“副作用”是驱动电机的冗余。

底盘的复杂运动学被加以研究,以便优化地面和所有车轮之间的接触。全地形概念主要是基于离地间隙,如果您碾过它时,为什么会“越过”它。这就是为什么在车体上设置两种不同车轮悬挂系统的原因。

一种特殊的并行体系结构已被应用于侧轮。它使四轮中间底盘的虚拟旋转中心位于轮轴之间的最佳点。另一方面,底盘本身位于轮轴的高处。为了从离地间隙获得最佳优势,越障时,车辆还配有一个前轮和一个后轮。特殊杆运动学也被用来确保前轮始终最佳导向牵引表面,而后轮通过悬臂梁杆被固定到车辆的主体上。

从纯粹的机械方面而言,带有前轮和后轮以及2x2侧轮的车辆特别设计意味着,所有车轮的地面接触被优化,因此无需主动控制。由于前轮和后轮的旋转能力,在车辆长度范围内,Shrimp的回转圈也非常小。尽管有这种可操作性,Shrimp仍然利用轮式车辆的主要优点:传动摩擦力极低,因而几乎所有的输出驱动电源可用于推进。因此,使用带后备电池系统的节能驱动器不会存在问题。

移动智能“越野”(机器人网) 移动智能“越野”(机器人网)
适合所有条件的车辆,无论是否为不规则地形、台阶或斜坡。  

驱动解决方案

作为一种通用汽车的设计,Shrimp具备适用于所有范围的驱动系统是非常重要的。本系统是从FAULHABER产品范围选择的一种电机概念。该公司的电机和传动范围的结构如下,构造器可以选择一些组件,将各自的模块化驱动系统放在一起。对Shrimp而言,构造器使用带贵金属整流的2224 ... SR系列直流微电机。无铁芯钟电枢电机适用于不同的电压变化。它们提供4.2 W,依靠太阳能电池供电或电池操作(温度低,电压下降),用最低电压启动一种极为重要的行星探测功能。

移动智能“越野”(机器人网)
带集成编码器的FAULHABER标准电机提供驱动电源
 

但所选电机设计的另一个优点是整体磁脉冲发生器。根据该模型,每次旋转产生64到512个脉冲,并通过电机控制单元进行评价。然后使用齿轮,对转矩特性与车轮参数相匹配。电机与行星齿轮相结合,减速比为3.71:1至1526:1,扭矩为0.5 Nm,为最佳驱动适配提供大带宽。

各车轮通过其自身的相位序列指示器,将其驱动数据报告至控制系统,因而车辆的整个驱动器可根据牵引力实现最优调节,并从各车轮得出数据。电子差速器锁与原地转弯是一样可行的。由于所有驱动部件在标准范围内,与传统的专用驱动相比,它具有非常巨大的价格优势。

可扩展

“Shrimp Rover”的复杂概念使其能够翻越车轮直径两倍高度的台阶。这种爬坡能力远远超过了目前的所有概念。穿过险要地势时,该车辆具备高度稳定性,可控制40度的正面/侧面倾斜度。

低成本车辆主要是由对称设计的各个组件构成。利用该模型,也可在前方或后方进行有效载荷。此概念特别适用于高盈利或者可预期的损失。因此,主要应用领域可能是农业、扫雷机器人和产业探索机器人。

EPFL的新概念车是基于精巧的、纯机械的坚固底盘。它利用FAULHABER集团的廉价标准件进行驱动,用传统组件控制。然而,由于其卓越的可靠性,它适用于复杂的太空旅行和地球应用。当遇到障碍物时,其前进运动的高效率和出色的爬坡能力是任何地形的完美解决方案。

(责任编辑:ioter)


本文链接智能“越野” 机器人设计
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