Mechanics analysis of a wheelchair robot with wheel-track coupling mechanism

A barrier-free wheelchair robot with a mechanism coupled by wheel and track is presen- ted in this paper. Using the wheelchair, the lower limb disabled persons could be more relaxed to take part in outdoor activities whether on flat ground or stairs and obstacles in the city. The wheel- track coupling mechanism is designed and the stability of the bodywork of the wheelchair robot on the stairs is analyzed. In order to obtain the stability of wheelchair robot when it climbs obstacles, centroid projection method is applied to analyze the static stability, stability margin is proposed to provide the stability under some dynamic forces, and the push rod rotation angle in terms of the guaranteed stability margin is given. Finally, the dynamic model of the wheelchair robot based on Lagrange equation is established, which can be a theoretical foundation for the wheelchair control system design.

Analysis on the crossing obstacle of wheel-track hybrid mobile robot

A novel wheel-track hybrid mobile robot with many movement patterns is designed.According to different environments,it can switch between the pure wheel pattern and the pure track one.According to a homogeneous coordinate transformation matrix,gravity stability and its obstacle performance are analyzed.Its gravity equation and climbing obstacle conditions are established.Experimental results show that this hybrid mobile robot could fully possess the advantages of both the wheel and the track mechanisms and achieve a good obstacle climbing capability.

地面机动平台可重构轮履复合推进机构研究现状与展望

可重构轮履复合推进机构兼具轮式推进机构的快速性和履带推进机构的通过性,是提高地面机动平台在极端地形上综合性能的关键技术,在各类机器人和特种车辆上都得到了一定应用.文中在系统调研国内外相关文献的基础上,按轮履构型重构互换原理对推进机构进行分类,着重对比分析了不同构型的结构特点和应用场景,指出了可重构轮履复合推进机构的主要技术难点和发展前景.

随机轮载下钢桥面顶板与纵肋焊缝疲劳裂纹扩展特性研究

车辆轮迹横向分布是钢桥面板焊缝处产生随机应力谱的一项关键因素,加之焊接缺陷形态的随机性,诱发钢桥面板疲劳裂纹随机扩展行为。为了研究钢桥面顶板焊缝处疲劳裂纹的随机扩展特性,基于断裂力学理论与扩展有限元方法分析了轮迹横向分布对钢桥面板顶板焊根和焊趾等效应力强度因子的影响规律,揭示了轮迹横向分布离散度、初始裂纹深度和初始裂纹形态比对焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布的影响规律。结果表明:轮载中心处于U肋正上方中心和焊缝中心位置分别为顶板焊趾和焊根的最不利横向加载工况;车辆轮迹横向分布对顶板焊根和顶板焊趾疲劳裂纹前缘应力强度因子影响差异显著,顶板焊根最大等效应力强度因子为85.99 MPa·mm^(1/2),比顶板焊趾增加了6.72%;轮迹横向分布离散度和初始裂纹深度与钢桥面板焊缝处疲劳裂纹随机扩展路径分布离散程度成正相关,初始裂纹形态比与其成负相关;焊缝细节初始裂纹深度越大,车辆荷载对其横向影响范围越大;焊缝细节初始裂纹形态比越大,车辆荷载对其横向影响范围变化不明显。

轮轨摩擦系数对低地板轻轨动力响应及车轮磨耗的影响

为了确保低地板轻轨车辆安全且平稳地运行,以某轻轨线路为依托,利用多体动力学软件UM(Universal Mechanism)建立了低地板轻轨车辆-轨道耦合动力学模型。选用LM磨耗型车轮踏面以及R50标准钢轨,以美国六级不平顺轨道谱作为线路激扰。基于Hertz及Kalker简化理论、Archard模型,进行不同摩擦系数共5个工况下车辆动力响应以及车轮磨耗变化规律的仿真分析。在此基础上进一步分析了4个不同运行里程阶段对应共96组车轮磨耗型面下轻轨车辆安全性指标的变化规律。研究了4个不同运行里程阶段对应的不同车轮磨耗型面下车辆过曲线时安全性指标随摩擦系数的变化情况。结果表明:脱轨系数、轮轴横向力、轮轨横向力、车体横向加速度受摩擦系数的影响较为显著,而轮重减载率、车体垂向加速度对摩擦系数的改变并不敏感。车轮磨耗深度随里程和摩擦系数的增加而增大,且相同工况下独立旋转车轮的磨耗情况更加严重。在车辆运行40000 km后,其轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数整体呈现随里程增加而增大的规律,而轮重减载率基本不受运行里程的影响。在不同摩擦系数及运行里程的叠加影响下,轮轨横向力、轮轴横向力、脱轨系数的峰值出现的位置不同,而轮重减载率却始终处于较为稳定的状态。

基于变前视距离的四轮同步转向农机改进纯跟踪控制

路径跟踪控制是提高自主导航系统控制精度的关键。针对在复杂农田作业环境下转弯时纯跟踪算法跟踪精度不高的问题,本文提出了一种基于改进纯追踪模型的四轮同步转向农机路径跟踪控制算法。建立了基于四轮同步转向农机的运动学模型和纯跟踪模型,在此基础上考虑航向误差得到改进纯跟踪模型,进行RTK定位坐标修正,根据量化误差的评价函数搜索前视区域最优目标点,得到最优前视距离。本文算法能实时确定四轮同步转向农机改进纯跟踪模型中的前视距离,使航向误差和横向误差最小化,实现目标点的自适应优化。仿真结果表明,本文方法转弯时平均绝对横向误差减至0.035 m,平均绝对航向误差减至0.212°;水田实验结果表明,当四轮同步转向农机作业速度为3.6 km/h时,四轮转向农机轨迹跟踪平均绝对横向误差减至0.109 m,平均绝对航向误差减至2.799°,转弯跟踪精度显著提高。

自动泊车前轮转角闭环的分层控制方案

为提高自动泊车系统中控制器的抗扰动能力,优化控制律执行效果,提出了前轮转角闭环的分层控制方案.设计了以行驶距离为非时间参考量的fal函数非光滑控制律,输出前轮转角控制量.以阿克曼转向模型为基础,建立了前轮转角观测器,并使用模糊滑模控制器实现前轮转角闭环的横向控制.搭建Carsim/Simulink联合仿真系统,在典型泊车场景下验证所设计控制器的有效性、跟踪效果及鲁棒性.使用实车测试平台开展了试验.结果表明:所设计的前轮转角闭环分层控制方案能够快速准确地跟踪目标路径,提高了泊车系统的横向控制精度,并在未知转向非线性扰动下也具有良好的跟踪控制效果.

基于G-W理论的轮轨三维粗糙表面摩擦生热

为了研究粗糙表面形貌特征对轮轨摩擦副滑动过程中产生的热、温度场和应力场的分布规律及其相互影响,基于G-W模型,将轮轨摩擦副简化为一不同形貌的微凸体粗糙表面与一理想平面,通过数值模拟方法研究了粗糙表面轮轨摩擦过程中热的大小及温度场和应力场的分布规律。结果表明:微凸体之间的相互作用对摩擦生热有影响,随着球冠状微凸体堆叠度的增大,热区分布面积增加,热源减小;微凸体的数量和排布规律对摩擦生热有影响,微凸体横向排布时,摩擦温升随微凸体数量的增加而减小,微凸体纵向排布时,摩擦温升随微凸体数量增加而增大,热区分布向滑动方向后方集中;不同形貌微凸体对对摩擦温升结果也会产生影响,球冠状微凸体粗糙表面摩擦温升总体高于长方体状微凸体摩擦温升。可见,微观层面粗糙表面形貌特征对轮轨摩擦副热源、热区分布、温度场和应力场分布等都会产生影响,为进一步研究轮轨相互作用,保障列车安全运行提供理论依据。

基于车辆动力学的铁路轨道曲线啸叫时域模型

曲线啸叫是轮轨切向黏滑接触、轮轨动力学和通过曲线时车辆运行状态的综合结果。为综合研究曲线啸叫的影响因素,基于整车车辆多体动力学,并采用改进的轮轨接触力计算方法,建立了曲线啸叫时域模型。在接触力计算中,使用了离散接触模型,为引入下落摩擦机理,在切向力计算中使用迭代方法确定摩擦系数和接触力,使用模态叠加法计算车轮振动响应,采用无限元方法计算车轮声辐射。研究不同曲线半径和通过速度下,曲线段轮轨间接触力的变化及接触区的黏着-滑动状态,对车轮振动特性进行分析,并研究了车轮声学响应。研究发现,在下落摩擦和整车车辆运动状态的共同作用下会出现啸叫现象;曲线段轮轨间的法向力和切向力均会出现振荡,接触区呈现黏滑振荡状态;车轮振动速度谱的峰值频率与车轮特征模态相近,车轮轴向和径向模态的高幅振动是高频啸叫的原因之一。啸叫现象主要出现在前轮上,相同工况下,前后轮声压级相差近20 dB,车辆速度和曲线半径对啸叫程度有明显影响,当车辆的曲线通过速度为60 km/h时,小曲线半径会出现严重啸叫现象;当曲线半径由200 m增大到400 m时,最大声压级降低34 dB;曲线通过速度由60 km/h降至40 km/h时,最大声压级下降13 dB。

小曲率路面车辆差动转向与横摆稳定性集成控制研究

为减小车辆在前轮转向系统失效的负面影响,保证转向系统的瞬态控制性能,本文提出差动转向控制与横向稳定性控制相结合的控制方法,通过调节左右轮毂电机转矩形成横摆力矩,实现对系统完全失效车辆的转向控制与横向稳定性控制。首先设计基于LQR差动转向控制器跟踪参考前轮转角与参考横摆角速度,保证车辆轨迹跟踪能力,然后设计基于模糊PID横向稳定性控制器跟踪参考质心侧偏角,保证车辆横摆稳定性,两者构成双闭环控制系统将控制量最终转化为横摆力矩,实现车辆的集成控制。最后通过Simulink-Carsim联合仿真验证,仿真结果表明差动转向系统能够在前轮转向系统失效情况下实现车辆转向控制,并在横向稳定性控制系统的作用下有效地提高了车辆瞬态控制性能。

轮履式救援机器人结构设计

轮履式救援机器人是一种在紧急救援和灾害应对中发挥关键作用的机器人系统。本文旨在探讨轮履式救援机器人的结构设计,以提高其在复杂环境下的性能和适应性。本文提出了一种具有灵活机动性和高稳定性的轮履式救援机器人设计方案。其原理是采用双履带爬行机器人,经过调节履带角度,实现机器人自由移动,从而达到翻越屏障的目的,并且依靠带有摄像头的机械手臂实现多方位探测巡逻。运用SolidWorks软件对轮履式救援机器人的三维进行模拟装配,验证本论文方案设计的可行性。通过结构设计、材料选择和自主性控制的综合考虑,可以使这类机器人更加适应各种复杂环境,提高救援效能。

随机轮轨动态激励对钢弹簧浮置板轨道减振性能影响分析

为分析随机轮轨不平顺对钢弹簧浮置板轨道减振性能影响,该文采用随机模拟的方法,研究了不同轨道不平顺状态下随机车轮不圆顺在浮置板轨道插入损失评估结果方面的随机特性,以及轨道不平顺发展对插入损失评价结果的影响。研究结果表明:不同轨道不平顺状态下,随机车轮不圆顺作用下隧道壁最大Z振级的插入损失离散超过10 dB,且随着轨道不平顺的发展,插入损失的样本均值和标准差均明显减小;分频插入损失统计结果显示,轨道不平顺的发展对频率低于6.3 Hz的插入损失影响更加显著,对于20 Hz以上频段的统计均值的影响并不明显。

考虑滚动噪声的地铁波磨打磨限值评估方法

钢轨打磨能有效抑制波磨的发展,目前的打磨限值制定标准主要以车辆运行平稳性和行车安全性为依据,对影响环境线路的轮轨滚动噪声重视不足。为了获取服役条件下轮轨滚动噪声约束的地铁波磨打磨限值,根据对某地铁线路噪声段波磨情况的调查,建立了地铁波磨打磨限值综合评估模型。模型中将连续谐波模拟钢轨波磨作为系统输入,根据车辆-轨道耦合动力学理论以及轮轨接触关系确定轮轨动作用力和轮轨表面粗糙度之间的关系,分析获取了车辆-轨道耦合系统的振动响应和轮轨滚动噪声,指出了轮轨动作用力、轮重减载率和轮轨滚动噪声声压级3个指标对地铁线路钢轨波磨打磨限值的影响,进而形成了融合轮轨滚动噪声的地铁波磨打磨限值评估方法。结果表明:考虑轮轨滚动噪声影响的钢轨波磨打磨限值评估,不仅满足车辆运行平稳性和行车安全性的要求,而且保证地铁沿线噪声处于合理范围;基于轮轨滚动噪声对钢轨波磨最为敏感的特性,综合评估地铁波磨打磨限值,提高了载重变化时的车辆运行平稳性。

嵌入式轨道三维滚动接触模型冲击特性研究

嵌入式轨道在城市轨道交通领域得到广泛运用,在高速铁路方面,国内外也有少量的相关报道和理论研究。嵌入式轨道对减缓轮轨冲击有显著效果,其中焊接接头是引起轮轨冲击的重要原因之一,对于时速400公里以及更高运行速度的列车,焊接接头冲击激励引起的轮轨力变化十分显著,目前对于高速工况下嵌入式轨道的研究尚不充分。基于显式动力学有限元方法,采用三维高速轮轨瞬态滚动接触模型对轮轨冲击过程进行数值模拟,并探究时速400公里速度下的嵌入式轨道的冲击特性。得出以下结论:嵌入式轨道与扣件式轨道在受到不同波长冲击时均能够减小垂向轮轨力变化幅值,焊接接头波长越长,垂向轮轨冲击力越能快速趋于平缓;车轮在受到焊接接头长波冲击时,嵌入式轨道能明显降低纵向轮轨力。研究结果可为嵌入式轨道在高速铁路的运用提供参考。

复杂地形六轮独立驱动与转向机器人轨迹跟踪与避障控制

为研究六轮移动机器人在复杂地形的运动控制方法,针对六轮独立驱动与转向机器人复杂地形轨迹跟踪问题,提出一种预测控制和动态补偿的控制方法。基于非完整约束的线性六轮移动机器人运动学模型,以模型预测控制算法为基础,引入比例-积分-微分补偿控制器,抑制动态滞后引起的跟踪误差,设计速度与转向角动态反馈补偿,以应对地形扰动对轨迹跟踪的影响。分析机器人运动过程中障碍物的避碰问题,设计可求解避障轨迹的避障规划器,通过轨迹跟踪系统对局部避障轨迹进行跟踪控制,实现机器人的轨迹跟踪和自动避碰。对轨迹跟踪算法和避障算法进行仿真实验。实验结果表明:在典型工况下,机器人可完成凹形斜坡、凸形斜坡和凹凸地形正弦型轨迹跟踪控制和静态与动态障碍物避碰,验证了新方法的有效性。

摆臂式全向移动机器人双模式轨迹跟踪研究

为了提升室外轮式移动机器人全向机动能力,文中提出一种通过普通轮作为驱动的移动机器人,根据不同动力分配及摆腿转角实现四轮转向(4WS)、斜行和原地转向模式。基于斜行及4WS模式设计了双模式混合控制器,其中,斜行模式采用多点预瞄模糊补偿轨迹跟踪控制,4WS模式采用增量线性时变模型预测控制(ILTV-MPC)。通过试验样机的横、纵向跟踪性能试验得到双模式混合控制器所需的约束条件。采用Simulink∕CarSim联合仿真平台对控制器的有效性进行验证。采用混合控制器的移动机器人底盘在低曲率跟踪时较4WS模式均方根误差相差0.18%,且横摆角与横摆角速度维持不变。结果表明:混合控制器保证全轮转向机器人低曲率跟踪精度的同时提升了其横摆稳定性。

考虑稳定性的4WD/4WS无人车路径跟踪控制策略研究

根据分布式四轮驱动/转向的无人车单轮独可控的特点,提出一种考虑稳定性的路径跟踪控制策略,以提升无人车在高速、低附着工况下的车辆稳定性:具体通过预瞄-跟随理论搭建路径跟踪控制器,实现对无人车规划路径的实时跟踪;并通过滑模控制理论对后轮转角和直接横摆力矩进行集成控制,考虑前后轴荷及路面附着系数实现转矩分配,提高车身稳定性。仿真结果表明:相对于未考虑稳定性的路径跟踪控制策略,考虑稳定性的路径跟踪策略在高速双移线工况下,平均横向跟踪误差下降5.2%,质心侧偏角峰值下降57.4%,横摆角速度峰值下降23%;在低附着山路工况下,平均横向跟踪误差下降9.1%,质心侧偏角峰值下降54.3%,横摆角速度峰值下降1.4%,车辆能够保持良好的跟踪能力和行驶稳定性。

基于LESO的轮式移动机器人滑模轨迹跟踪控制

针对轮式移动机器人在车轮打滑情况下的轨迹跟踪控制问题,提出了一种利用线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer,LESO)和积分滑模面的控制方案。首先,根据车轮打滑情况下的非完整约束条件建立轮式移动机器人的运动学模型。根据动能函数和拉格朗日方程建立其动力学模型。将这两种模型相结合得到力矩与速度相关的数学模型。其次,利用LESO对该数学模型进行扩张,并对总扰动进行估计。基于实际速度与虚拟速度之差设计带有积分项的滑模面,将扰动估计值前馈结合滑模面设计动力学控制器,并给出速度跟踪误差在有限时间内收敛的证明。最后,与基于超螺旋干扰观测器设计的控制方案仿真相比,所提出方案角速度跟踪误差在1 s左右时已趋于零,车轮力矩值稳定在3 N·m左右,且无锯齿抖动,扰动误差在1~5 s时波动更小,5~20 s时未出现明显锯齿抖动,仿真结果表明所提方案跟踪效果更好,抗干扰能力更强,观测精度更高。

电力塔材运输车液压系统设计计算与仿真

为解决电力塔材运输问题,设计了一套电力塔材运输车液压系统,此系统以双闭式泵和一开式泵为动力基础,采用轮履复合式底盘液压驱动,对行走系统和功能系统进行了设计计算和液压元件选型,校核了选型参数可以满足使用要求。运用AMESim仿真软件对行走液压系统进行了建模仿真运算,仿真结果表明行走液压系统满足设计要求。

基于终端约束MPC的轮式移动机器人轨迹跟踪控制

针对轮式移动机器人具有非线性特性和时域约束从而导致跟踪精度较低的问题,提出了一种终端约束MPC(model predictive control)的控制方案。首先,将轮式移动机器人的状态误差方程作为预测模型;其次,在成本函数中加入终端约束,设计了合适的终端域和终端惩罚矩阵,迫使系统在有限时域内跟踪上期望轨迹;然后,利用Lyapunov稳定性框架,建立终端约束MPC控制方案在系统中可行性和稳定性的充分条件;最后,通过在圆形及双移线两种工况下与传统模型预测控制进行对比实验,验证了终端约束MPC控制方案的有效性。仿真表明,相比于传统模型预测控制,终端约束MPC在预测范围内更好地满足了约束条件,从而提高了系统的稳定性和跟踪精度。