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轮履式复合底盘

申报人:陈竣纬 申报日期:2024-05-28

基本情况

2024年批次
轮履式复合底盘 学生申报
创新训练项目
工学
机械类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
新型轮履式复合底盘,该底盘能够在轮胎和履带两种行走方式之间自由切换,集中了履带式底盘高通过性和轮式底盘高机动性的优势,能更加快捷方便地在各种复杂环境中投入工作。该底盘弥补了传统底盘的缺陷,解决了目前履带式工程机械转场效率低的问题。创新式底盘收缩,大大提高空间利用率,整体结构精致小巧灵活,云台匹配性高,可以更换不同模块适应多种作业环境。轮履式复合底盘将轮式和履带式底盘的优势相结合,在保证了履带式底盘作业时对湿滑地面的附着力和强大作业牵引力的同时,用辅助轮式底盘提高了其机动灵活性,可以适应于不同土质条件和需要转场的工作环境,减少了转场时间,大大的提高了工作效率.在工程机械作业或车身转动时,轮履式复合底盘的摆动缸缩回,带动行走轮胎收起,轮式底盘不参与作业;当工程车辆不作业需要转场时,摆动缸伸出带动行走轮胎着地,支撑整车并驱动行驶,解决了目前履带式工程机械转场效率低的问题。

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研究方向为金属材料的防腐和表面涂层处理。主持广西科技项目3项,主持桂林鸿程矿山设备制造有限公司、北京博创众行生物科技有限公司等企事业单位委托项目10余项。发表论文40余篇,其中SCI收录20余篇。部分研究成果在《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Surface & Coatings Technology》、《Progress in Organic Coatings》等知名学术期刊发表,拥有国内发明专利2项发明专利(授权2项),拥有授权实用新型专利2项。出版教材一门,指导学生发表论文20篇,其中SCI收录17篇,TOP一区1篇;所带研究生获优秀毕业生1人,校级优秀毕业硕士论文1篇,国家奖学金1人。

指导老师将全程参与本项目的指导,引导学生完成从项目申报、立项到季度报告、中期汇报以及最终答辩的全过程任务。在项目中帮助学生完成既定的科研任务及相关实验,协助学生获取各类研究工具和研究资源。

校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
陈竣纬 机械与控制工程学院 机械设计制造及其自动化(中外合作办学) 2022 项目协调安排,创新开发及测试工作
郭仕轩 机械与控制工程学院 机械设计制造及其自动化(中外合作办学) 2023 调研与资料整理

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
朱继元 机械与控制工程学院

立项依据

我国地域辽阔,多为山地、丘陵和高原,边远地区国防工程建设及山区公路建设、抢险任务繁重,但是由于山区公路相对狭窄,路况不好,致使施工机械转场比较困难,这对在施工建设中起着重要作用的工程机械提出了重大的挑战与此同时困自然灾害频繁发生,地震现场环境异常复杂、危险,移动机器人是机器人学中的一个重要分支,将机器人应用到救援工作中不仅会减少救援人员的伤亡,而且能提高救援的效率和震后人员的存活率。其所面临的环境大多是自然环境下的复杂、未知、多变的非结构化环境,机器人在执行任务遇到障碍时为完成任务必须要克服并越过障碍,因此,高的越障能力是救援机器人在非结构环境下作业所必备的功能。

从移动机器人行走机构的发展过程来看,轮式移动机构可以达到较高的移动速度,且具有结构简单、控制方便、移动灵活、互换性好及效率高等优点,但是轮式的对地面的依赖性较强,不适于越障,如壕沟、台阶、楼梯等障碍。

较经典的为美国JPL的四轮机器人Nomad和瑞土联邦工学院EPFL的移动机器人,履带式行走机构地面支撑面积大,接地比压小,牵引附着性、越野以及越障性能较轮式好,如世界著名的两节履带式反恐机器人Packbot;但效率较低,结构复杂,维护和保养困难,且成本能耗等较高。綜合考虑轮式、履带式的优缺点,后继又研究开发了复合式的移动机构,如美国Remotec公司研制的关节轮式Andros系列机器人,以及国内的由沈阳自动化研究所研制的关节履带式“灵晰-B”型排爆机器人和CLIMBER。通过以上分析,提出了一种基于变体轮结构的新型轮履复合式移动底盘,为机器人高机动性和高通过性难以兼容的难题提供了一种可能。

由于移动底盘要深人到非结构化的环境下作业,所以控制系统采用半自主远程遇控的工作方式”,运用无线网络图像传输技术通过远程计算机操控移动底盘,使得移动底盘的控制具有很高的实用性及实时性。采用嵌入式多任务实时控制系统可提高控制的实时性,且自身具有可裁剪性、可移植性以及较高的稳定性。因此研制出高机动灵活性、高通过性的底盘为显得尤迫切。

1.轮履复合机器人的结构设计

2.机器人的技术性能

3.轮履复合式机器人的传动机构

4.轮履复合式机器人摆臂单元机构

5.机器人行走系统的设计和越障功能分析

6.移动机器人行驶平稳性仿真研究

1. 国内发展动态:

轮履复合机器人行业技术在人们的日常生活和工作中得到越来越广泛的应用。随着我国社会经济的不断发展,对轮履复合机器人行业的应用需求也会增加。中国轮履复合机器人行业技术的发展始于1990年代后期,经历了五个阶段:技术引进-专业市场引进-技术完善-技术在各个行业中的应用。目前,轮履复合机器人行业已经比较成熟,并且越来越多地推广到各个领域,扩展了终端设备,独特服务,增值服务等多种产品和服务,二十多种涵盖广泛的产品系列涵盖金融,交通,民生服务,社会福利,电子商务和安全领域,全面使用轮履复合机器人行业的时代已经到来。通过企业、高校长期研究和探索,国内目前已经形成了一系列轮履复合式底盘结构设计、越障性能分析和运动分析方法,将这些理论方法运用到轮履复合式底盘中后,其性能有所改进,但仍需要进一步补充和完善。20世纪末,轮履更换式底盘首先被国外科学人员发明出来。此种底盘既可以以轮式结构在传统硬化地面上行驶,又可以更换为三角橡胶履带轮在野地行驶,拓展了传统车辆使用范围。但轮履更换式底盘也存在轮履更换时间长等缺点。

2.国外发展动态:

目前,国外出现了许多轮履更換式底盘生产制造公司,其中最著名的企业有麦特瑞克斯公司和 SOUCYTRACK 国际公司,其在农业、旅游业和军事等领域中得到了广泛应用。SOUCYTRACK 公司生产的三角型履带轮在行驶过程中遇到障碍或者复杂路面时,可以手动将圆形车轮更换成履带式车轮,现已被广泛用于农业生产与雪地越野等领域中。目前三角形履带轮研究及应用在国内也逐渐增多,但大多为引进技术。相比较普通的震源车,装有可更换三角履带轮的震源车通过复杂地形的效果更好,作业效率更高,行驶也更加平稳。

轮式机构结构简单、控制方便、移动灵活,并且技术成熟,是最常使用的移动机构,但它对复杂地形的适应能力一般

履带式机构因为和地面有更大的作用面,可以在野外和一些恶劣环境下进行作业,具有较高的地面适应能力,但它的灵活性相对于轮式机构较差,并且驱动效率有所降低。

轮履复合式底盘,可实现轮胎和履带两种行走方式的切换,长距离行驶可采用轮胎行走方式,作业时采用履带行驶和支撑整车,切换是通过前后各两个轮履切换油缸的伸缩实现该类型底盘融合了以上二者的优点。

技术路线:summernote-img

拟解决的问题

第一,在轮履复合式底盘中,轮履复合变形轮式底盘在中人型车辆上适用性不强,所以如何完美的将轮履复合式底盘运用到中大型传统车辆上,将是一个非常重要的研究方面

第二,底盘的结构设计需要进一步探究

第三,完善轮履复合式底盘车轮运动学与动力学模型,多考虑一些非线性因素影响作用,使得其运动学与动力学模型更加完善。

预期成果

底盘可通过传动结构的变化快速实现轮与履带之间的转化;底盘越障性能分析以及运动分析的方法趋于成熟,将理论可进一步放入现实的底盘性能中。

第一个季度:

在指导老师的指导下进行项目的开发,运动模型分析,与此同时收集项目相关材料,检索文献并整理成册。

第二个季度:

利用第一个季度所收集的材料以及运用理论知识对于产品进行理想化运动分析,开始进行模拟实验,与指导老师着重进行讨论并解决问题;申请活动经费并寻找合作方。

第三个季度:

开始用申请到的经费购入底盘装配所需的零件及物资,装配过程中与老师交流分析;进行控制系统的设计,当机器人视觉技术没有得到完美解决之前,移动机器人不可能完全自主地完成任务,遥控/半自主的方式是目前应用最广也是最实用的控制方式,就是通过操控人员通过远程遥控实现对机器人的任务和行为规划、路径设定、运动模式选择等,且在局部范围能够实现自主运动。

第四个季度:

开始进行装配好设备的调试,进行底盘攀爬斜坡,跨越壕沟,翻越台阶等项目的测试。利用多体模型仿真,可以克服传统方法模型简化的不足。针对曲轴运动系统多体模型,得到系统更接近真实运行情况的运动学和动力学特性,并在较精确动态边界条件的基础上,为各零件进一步的动态响应分析提供了前提,也可以为整机的优化设计和故障诊断提供了参考依据。


华南理工大学钟伟斌等人设计了一款轮履复合式变体车轮,它可以通过传动结构变化快速实现轮、履带间的相互转换;田海波等人根据目前复合式移动机器人的一些研究成果,运用变胞机构理论设计了一种基于环境要求的新型轮履复合式底盘北京晶品特装科技有限责任公司设计制造的一种JPRS16 小型轮履复合侦查机器人,可在轮履巧妙结合的基础上,搭载多种功能模块,实时传送最新信息,在非结构性地面上实现远程可视化作战指挥

中国民航大学钱俊泽等人设计了一种基于四杆机构的自适应可变形履带式机器人,解决了传统履带底盘越障高度受限制的问题,大大提高了越障性能。卡内基梅隆大学设计了一种自适应可变形车轮,它能在短短几秒钟内由一个普通圆形车轮转换为一个类三角形履带车轮,并在前进过程中就可以实现转换且不停车,大幅提高了工作效率。虽然国内外对此种底盘的研究很多,但是大多结构都应用在机器人领域,无法实现在大中型车辆中发挥应有效果。

已具备的条件:

当前模型构建已经完成,可在计算机上进行运动学分析以及运动状态模拟。

尚缺少的条件:

对于非线性因素的影响尚未解决,需要有相关算法为研究提供基础,在控制系统方面知识应用略微欠缺。

解决方法:

参考国内外的大量文献,为研究提供参考和借鉴:根据底盘的运动学和动力学模型开发底盘路径跟踪控制算法,实现机器人在非常规场景时的自适应运动。可以利用参考机载软件平台的嵌入式操作系统,从在商业领域取得巨大成功的两个突出代表VxWorks和QNX,到开源并广泛传播的Linux,以及各个公司所推出的WINCE等,再到由个人之力发展至今的WC/OS,实时操作系统HC/OS与其他实时操作系统相比,wC/OS操作系统具有可裁剪性好、实时性强以及可移植性高等优点,因此,采用uC/OS实时操作系统。移动式总控平台软件操作系统必须具备友好的人机交互界面,为了高效方便的对移动底盘运动控制,采用应用性强的Windows操作系统,简单易操作,且其软件资源较丰富。移动式总控平台主要由远程控制计算机、无线网卡、无线路由、调制解调等装置组成,该平台由操控人员携带,为人机交互的硬件设施。总控平台通过无线串口通信模块发送指令至上位操作机,然后经CAN总线、RS485等通讯接口传输给下位机,从而实现移动底盘的运动控制。嵌入式控制系统采用基于串行总线的嵌入式系统分部方案,将控制硬件全部安置于机器人内部,主要由运动控制单元和多传惠器数据采集单元组成。

经费预算

开支科目 预算经费(元) 主要用途 阶段下达经费计划(元)
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 5000.00 2180.00 2820.00
1. 业务费 700.00 380.00 320.00
(1)计算、分析、测试费 200.00 设备功能及平台调试 50.00 150.00
(2)能源动力费 100.00 网络费及电费 60.00 40.00
(3)会议、差旅费 200.00 会议及调研交通 150.00 50.00
(4)文献检索费 100.00 论文与专利检索 70.00 30.00
(5)论文出版费 100.00 论文出版 50.00 50.00
2. 仪器设备购置费 1300.00 仪器设备购置 1000.00 300.00
3. 实验装置试制费 1000.00 实验装置购置 600.00 400.00
4. 材料费 2000.00 设备材料购置 200.00 1800.00
结束