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履带式移动机器人研究

作者：闫守前

来源：《中国机械上半月》·2019年第01期

摘要：随着科学技术的进步和生产的发展，国民经济各部门要求不断提供先进的技术装

备、研制新的产品品种，以满足国民经济继续发展和人民生活质量不断提高的需要。机器人的

出现解决了人们的疑难问题，为生活提供了方便。本文认真研究了履带式机器人的稳定性，指

出了履带式机器人研究中存在的问题。

关键词：履带式；机器人；稳定性

机器人的特点分析1

稳定性分析1.1

履带是人类继发明车轮之后又跨出的一大步，扩展了车辆由“线”到“面”的活动范围，履带

式车辆既加强了离开道路的越野能力，同时也增大了负重能力在越野及爬坡时的稳定性有了大

大的提高。履带式机器人的稳定性是指它保持稳定不倾翻、不下滑的性能。履带式机器人的稳

定性对机器人本身的结构安全有直接影响，此外还对机器人的操纵性能有直接的影响。稳定性

分析包括纵向稳定性分析和横向稳定性分析。

纵向1.2稳定性

履带式机器人的极限坡度角和极限下滑角是纵向稳定性的基本评价指標。

图1为履带式机器人的极限坡度角，在上坡时重心不能落在后履带轮的后面，否则就会向

后倾覆。由此可知，机器人的上坡极限坡度角αlim的值为：

同样的道理，机器人的下坡极限坡度角的值为：

式（2）中，L为机器人履带的接地长度。履带式机器人的极限下滑角，指机器人停在坡

道上不下滑时的最大坡度角。极限下滑角的值为：

横向1.3稳定性

履带式机器人的横向稳定性包括两个方面：沿行走装置下侧边缘的横向翻倾和行走装置沿

横坡侧滑。图2为履带式工作车辆在横向斜坡上稳定工作时的受力简图。

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图2中，b为车辆履带接地宽度，B为车辆轨距，e为车辆重心离开纵向对称平面的偏移

距离，Y1，Y2为两履带的土壤垂直反力，Z1，Z2为土壤作用于两履带的平行于坡面的力，

β为横坡角度。

当机器人处于临界状态接开始横坡翻倾时，右侧履带不再受力即垂直反力Y1=0，整个机

器人的重量mg作用在左侧履带的下侧边缘，于是对Y2取矩有：

由式（4）可得到车辆的横向极限坡度角为：

当开始横坡下滑时，有：

由式（6）可得到：

其中，为履带式工作车辆的横向附着系数。由式（7）表明，履带式工作车辆在斜坡上不

致横滑的条件是，横坡角的正切值应小于履带与土壤间的横向附着系数。由稳定性分析可知：

履带式机器人的稳定性取决于机器人的总体尺寸（履带支承面的长宽度和履带轨距）和重心的

位置，合理配置机器人的总体尺寸和重心的位置可提高机器人的稳定性。按其运动状态分，机

器人的稳定性有两种：静态稳定性和动态稳定性。下面分别介绍：

1.3.1静态稳定性分析

履带式机器人的静态稳定性主要是指机器人在斜坡上静止不动时能够抗翻、抗滑动时的稳

定性。分析静态稳定性主要考虑的是稳定裕量角。所谓边界稳定裕量角就是指机器人质心与支

持边界构成的平面与支持域铅垂面的夹角；接触点和质心的连线与质心到支持域的垂足连线的

夹角称为支持点的稳定裕量角；所有支持边界和支持点的稳定裕量角的最小值叫支持域的稳定

裕量角ψ。设T为稳定附着区域，则：当坡度ϴψ时，机器人倾翻。

1.3.2动态稳定性分析

机器人的动态稳定性分析包括在结构化环境（例如平的路面）以及非结构化环境（例如越

障、爬楼梯、越壕沟等）。履带式机器人在水平路面上主要有转弯和紧急制动时的动态稳定性

分析。转弯时的稳定性主要与机器人的转向半径、转向速度、地面摩擦力有关。紧急制动失稳

主要与机器人本体的重心位置、几何尺寸、路面条件等有关。履带式机器人在越障时的稳定

性主要与机器人本体重心与履带后轮的水平距离有关。履带越障成功的必要条件是重心在行进

方向上超越了翻越支点，即所谓的重心“超越”条件。重心位置越靠前，则越障高度越高，垂直

重心越高，则越障能力越差。为了保证履带在爬楼梯时的动态稳定性，履带的长度一般要稍大

于楼梯3个相邻尖角的宽度，如图3所示。

这样在爬楼梯时就不容易发生颠簸，不致因附着力减小而出现不平稳甚至倾翻的现象，履

带的长度一般要满足下列条件：