[發(fā)明專利]一種輪式移動機(jī)器人的地面應(yīng)力分布測量系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811480096.0
• 申請日: 2018-12-05
• 公開（公告）號: CN109583106B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮李航;潘志強(qiáng);陳偉;朱文俊;趙勇焜
• 申請（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 宿遷市永泰睿博知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32264
• 代理人: 丁雪

本發(fā)明公開一種輪式移動機(jī)器人的地面應(yīng)力分布測量系統(tǒng)及方法，主要包含一個(gè)三維力傳感器、一組連接法蘭、一個(gè)接觸部件及配套夾具構(gòu)成的內(nèi)嵌式地面應(yīng)力測量系統(tǒng)，采用如下方式：首先，利用地面應(yīng)力測量系統(tǒng)測量車輪圓周方向上的一維正應(yīng)力分布；疊加10個(gè)在車輪寬度方向的一維正應(yīng)力分布，獲得二維的正應(yīng)力分布；建立基于高階多項(xiàng)式回歸的正應(yīng)力分布模型，畫出完整的二維應(yīng)力分布情況。本發(fā)明提供的應(yīng)力分布測量系統(tǒng)及方法，設(shè)備簡單、方法有效，能準(zhǔn)確獲取客觀、合理的車輪?地面應(yīng)力分布規(guī)律，為分析移動機(jī)器人的輪?地相互作用、輪式機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)特征、動力性和地面通過能力等提供了一種重要手段。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于輪式移動機(jī)器人測控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種輪式機(jī)器人的車輪-地面應(yīng)力分布測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)

輪式移動機(jī)器人在代理人類從事危險(xiǎn)作業(yè)、星球探測以及野外巡檢等工作中越來越受到人們的關(guān)注。輪式移動機(jī)器人的車輪在土壤上行駛時(shí)，由于土壤顆粒受力發(fā)生變形流動，車輪容易發(fā)生滑移、沉陷等問題，將嚴(yán)重阻礙移動機(jī)器人的正常行駛。根據(jù)車輛地面力學(xué)的研究，輪式機(jī)器人運(yùn)動是車輪與地面相互作用的結(jié)果，行駛狀態(tài)下車輪作用于地面的應(yīng)力分布關(guān)系決定了機(jī)器人是否產(chǎn)生滑移、沉陷等，因此，獲得其地面應(yīng)力分布數(shù)據(jù)對有效估算輪式機(jī)器人的動力性及地面通過能力至關(guān)重要。

車輛地面力學(xué)模型已經(jīng)被相關(guān)學(xué)者在20世紀(jì)60年代所提出，由于受技術(shù)手段制約，車輪與地面接觸應(yīng)力分布直接測量還難以實(shí)現(xiàn)，方式采用土壤地面力學(xué)模型來估計(jì)車輪與地面接觸應(yīng)力分布情況；現(xiàn)有的技術(shù)手段中，主要采用外嵌式或外部的手段來檢測車輪-地面之間的應(yīng)力及分布關(guān)系，包括利用視覺圖像測量車輪或輪胎印跡的方法、利用地面內(nèi)埋入壓力傳感器方式、利用車輪/輪胎表面布置的陣列應(yīng)變片或?qū)щ姯h(huán)等。這些方法在實(shí)際應(yīng)用中仍存在很多不足：

(1)模型估計(jì)的方法中存在過多假設(shè)，如假定車輪寬度方向上壓力分布為相同，而在實(shí)際應(yīng)用中沿車輪寬度方向的應(yīng)力分布為突起山峰狀的曲線；

(2)由于車輪與實(shí)際地面接觸的應(yīng)力分布規(guī)律并不均勻，外嵌式或外部測量手段并不能直接、有效測量車輪-地面接觸區(qū)的微觀作用關(guān)系，無法有效獲取、準(zhǔn)確地量化評價(jià)；

(3)外嵌式測量多屬于離線的方法，難以描述動態(tài)的車輪-地面應(yīng)力分布關(guān)系，如行駛狀態(tài)的車輪地面應(yīng)力分布關(guān)系和規(guī)律；

(4)外嵌式往往需進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理或借助于上層的估計(jì)算法，方法復(fù)雜；

(5)往往需要大量的傳感器，如陣列式應(yīng)變片，且傳感器本身對空間和力分辨率過低，很難達(dá)到測量應(yīng)力分布的效果。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種輪式移動機(jī)器人的地面應(yīng)力分布測量系統(tǒng)及方法，其目的在于：以獲取客觀、合理且準(zhǔn)確的機(jī)器人車輪-地面接觸區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律，為有效分析移動機(jī)器人的輪-地相互作用、輪式機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特征、以及動力性和地面通過能力等提供一種重要手段和依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種輪式移動機(jī)器人的地面應(yīng)力分布測量系統(tǒng)，輪式移動機(jī)器人的車輪結(jié)構(gòu)包括輪圈和輪輞；所述測量系統(tǒng)包括三維力傳感器、上連接法蘭、下連接法蘭、接觸部件及配套夾具；所述三維力傳感器連接于一對上、下連接法蘭，所述上連接法蘭連接于輪輞上，所述下連接法蘭連接于接觸部件及其配套夾具，接觸部件與輪圈緊密接觸。通過這種方式，上述系統(tǒng)所有部件均嵌于車輪內(nèi)，可隨車輪一起旋轉(zhuǎn)，車輪與地面的接觸力由接觸部件傳遞于三維力傳感器，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前地面接觸位置點(diǎn)的應(yīng)力測量。

優(yōu)選地，所述三維力傳感器通過螺栓連接于一對上、下連接法蘭。

優(yōu)選地，所述上連接法蘭焊接于輪輞上。

優(yōu)選地，所述下連接法蘭螺栓連接于接觸部件及其配套夾具。