| 邵沛瑶,王挺,董文博,张凯,姚辰.新型轮式移动机器人的结构设计与参数优化研究[J].高技术通讯(中文),2022,32(9):959~971 |
| 新型轮式移动机器人的结构设计与参数优化研究 |
| Research on structure design and parameter optimization of new wheeled mobile robot |
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| DOI：10.3772/j.issn.1002-0470.2022.09.009 |
| 中文关键词: 轮式移动机器人； 摇臂结构； 伸缩结构； 爬楼梯； 参数设计 |
| 英文关键词: wheeled mobile robot, rocker structure, telescopic structure, ladder-climbing, parameter design |
| 基金项目: |
| 作者 | 单位 | | 邵沛瑶 | (中国科学院沈阳自动化研究所机器人国家重点实验室沈阳 110016)
(东北大学机械与自动化学院沈阳 110000) | | 王挺 | (中国科学院沈阳自动化研究所机器人国家重点实验室沈阳 110016)
(东北大学机械与自动化学院沈阳 110000) | | 董文博 | (中国科学院沈阳自动化研究所机器人国家重点实验室沈阳 110016)
(东北大学机械与自动化学院沈阳 110000) | | 张凯 | (中国科学院沈阳自动化研究所机器人国家重点实验室沈阳 110016)
(东北大学机械与自动化学院沈阳 110000) | | 姚辰 | (中国科学院沈阳自动化研究所机器人国家重点实验室沈阳 110016)
(东北大学机械与自动化学院沈阳 110000) |
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| 中文摘要: |
| 为了实现特种机器人对于复杂环境的探索需求，结合轮式机器人高速与高效的特点、摇臂结构对于环境的适应性强的特征、伸缩结构对于移动机器人轮子轴距的调整，提出一种新型可伸缩摇臂六轮移动机器人。以攀爬不同类型的楼梯为越障任务与设计目标，从准静力学分析得到六轮移动机器人在爬梯过程中的不同状态下越过台阶的力学条件；并以不同状态下需求摩擦系数小于实际给予摩擦系数为跨越楼梯的必要条件，结合现实情况下的爬梯约束条件，选择摇臂长度、前轮到摇臂轴的距离、轮子半径等为设计变量，通过DOE设计、替代模型筛选设计变量，建立基于档案的微遗传算法(AMGA)的多目标参数优化模型，得到Pareto最优解；通过田口稳健设计，引入噪声因子在静态系统下输出最佳解。仿真验证与爬梯实验表明，依据参数优化设计的移动机器人在不同类型的台阶状况下，通过调节伸缩管的长度，可以高效、稳定地爬越楼梯，验证了设计值的可行性。仿真实验与理论的一致性对比验证了研究结果的有效性。 |
| 英文摘要: |
| In order to meet the needs of complex environment exploration of special-purpose robots, a new type of telescopic six-wheel rocker mobile robot is proposed, which combines the high speed and high efficiency characteristics of mobile wheeled robots, the strong environmental adaptability of rocker structure, adjustment of wheel wheelbase of mobile robot by telescopic structure. The mechanical conditions of such robots in various states during the stairs-climbing process are obtained via quasi-static analysis, which establishes the necessary condition of stairs-climbing as the required friction coefficient in different states being less than the actual given friction coefficient. Based on real-world ladder constraints, rocker arm length, distance from front wheel to rocker arm shaft and wheel radius are selected as design variables, design variables are screened through DOE design and alternative model, and the Pareto optimal solution is acquired from the (archive-based micro genetic algorithm (AMGA)-based multi-objective parameter optimization model. Through Taguchi robust design, the noise factor is introduced to output the optimal solution under static system. The feasibility of the design values is verified through software simulations and ladder-climbing experiments, which shows that robots designed according to the optimized parameters can perform the climbing activities steadily and efficiently under various stair conditions by adjusting the length of the telescopic tube, behaving consistently with the theory. |
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