一種新型自平衡越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建模

1、一種新型自平衡越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建模一種新型自平衡越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建模呂瓊瑩楊柳（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院吉林長(zhǎng)春130022）摘要：本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種新型自平衡越障小車(chē)，該車(chē)是一輛左右兩輪各自獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)先進(jìn)的微處理器，傾角傳感器等控制系統(tǒng)以及車(chē)體機(jī)械裝置來(lái)控制左右兩擺臂前后擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整車(chē)平衡和越障功能。本文對(duì)自平衡越障小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，闡述了其運(yùn)動(dòng)工作原理、和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃行走姿態(tài)，以及對(duì)其進(jìn)行牛頓力學(xué)建模。關(guān)鍵詞：自平衡越障機(jī)械結(jié)構(gòu)

2、原理規(guī)劃建模ModelingdesignofanewtypeofselfbalancingmechanismobstacleQingyingLvLiuYang（CollegeofMechanicalElectricEngineering，ChangchunUniversityofScienceTechnology，Changchun130022，China.Crespondingauth：LiuYang，Email：yangliu_11

3、14@）Abstract:Inthispaperthedesigndevelopmentofanewtypeofselfbalanceobstaclecarthecarisacaronleftrightwheelsindependentlydriventhroughadvancedmicroprocess.Theinclinationsensincontrolsystemthemechanicalbodydevicetocontrola

4、bouttwoswingarmswingingbackfthrealizevehiclebalanceobstaclefunction.ThisarticleonselfbalanceobstaclecarmechanicalstructuredesignexpoundsitswkingprinciplemotionplanningwalkingposturetheofNewtonianmechanicsmodeling.Keywds:

5、selfbalancingobstaclemechanicalstructureprincipleplanningmodeling0引言引言平行輪智能小車(chē)是繼摩托車(chē)、汽車(chē)之后人們正在研究的一種新型的代步工具。首先，它小巧玲瓏，占地面積小，可以在道路上行駛。其次，可以有效地降低油耗、清潔大氣減少環(huán)境污染。其開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)著眼于未來(lái)交通代步工具的主流，本文從提高自平衡小車(chē)越障功能出發(fā)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種新型輪式自平衡快速移動(dòng)越障機(jī)構(gòu)。1功能分析與設(shè)計(jì)方

6、案功能分析與設(shè)計(jì)方案作為自平衡越障機(jī)構(gòu)這類(lèi)機(jī)器人，其基本功能也就是自平衡移動(dòng)和越障功能，典型的越障移動(dòng)方式：履帶式、腳足式、輪式。表1為這幾種經(jīng)典越障移動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)[26]。表1典型的越障移動(dòng)方式以及優(yōu)缺點(diǎn)比較移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)履帶式支撐面積大，對(duì)路面適應(yīng)性強(qiáng)地面破壞性大，靈活性差腳足式對(duì)步行環(huán)境要求低，較高的越障能力行進(jìn)速度較慢，控制實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，穩(wěn)定性和可靠性低(b)(c)圖3整車(chē)越障礙時(shí)的姿態(tài)4牛頓力學(xué)數(shù)學(xué)建模牛頓力學(xué)數(shù)學(xué)建模兩輪自平

7、衡越障車(chē)主要由車(chē)輪、擺臂、車(chē)體和控制系統(tǒng)四個(gè)部分組成，其中電機(jī)帶動(dòng)的車(chē)輪是主動(dòng)機(jī)構(gòu)，而擺臂、車(chē)體本身是隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡，就要控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。假設(shè)車(chē)體失去平衡向前傾斜，那么電機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪就得有個(gè)加速度來(lái)保持車(chē)體處于平衡狀態(tài)，反之亦然，這樣就能保持系統(tǒng)維持平衡狀態(tài)。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性、非穩(wěn)定、非線(xiàn)性性，產(chǎn)生了諸如隨動(dòng)、跟蹤、魯棒性等問(wèn)題[810]。運(yùn)用牛頓法進(jìn)行力學(xué)分析，影響平衡車(chē)的主要參數(shù):車(chē)身重量、車(chē)輪半徑、

8、車(chē)體重心等。為了使得系統(tǒng)保持動(dòng)態(tài)平衡，車(chē)身重心應(yīng)位于車(chē)體中心線(xiàn)一定角度范圍之內(nèi)。在這里假設(shè)系統(tǒng)為剛體，并忽略地面與輪胎之間的側(cè)向滑動(dòng)，兩個(gè)擺臂的擺角==根據(jù)圖1車(chē)體模型進(jìn)行受力分析，1?2??建立力學(xué)模型。因?yàn)檐?chē)輪沒(méi)有Y軸方向的位移，所以只建立其在X軸方向的力學(xué)模型。圖4車(chē)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖左車(chē)輪力學(xué)建模：lllxwlllmxfFJxTfRR????????右車(chē)輪力學(xué)建模：rrrxwrrrmxfFJxTfRR????????其中，、為左右車(chē)輪水

9、平方向lxrx坐標(biāo)[m]，、分別為地面對(duì)左右車(chē)輪lfrf作用產(chǎn)生的摩擦力[N]，、分別為車(chē)lxFrxF輪在水平方向的作用力[N]，、分別為lTrT電機(jī)對(duì)車(chē)輪產(chǎn)生的扭矩[kgm]，表示車(chē)wJ輪繞Z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[kgm2]，表示R車(chē)輪半徑[m]，表示車(chē)輪重量[kg]。m車(chē)體力學(xué)建模：plxrxMxFF??????????sincosplrlxlxlrJNNLFFLTT???????????lrMyNNMg???????2lxrxDJFF