履帶式機器人的穩定性分析

林偉芬+龍石鋒

摘 要：從工業革命到21世紀以來，科學技術的發展使得我們人類對于機器人這一方面的研究深入，履帶式移動機器人在各方面的優點日益明顯。如當我們在從事一些危險的工作時，如勘測排爆反恐等，我們可以利用機器人來安全有效的展開工作。同時機器人的產生節約了勞動力，提高了工作的效率。在爬坡跨越障礙和過一些危險地段時，履帶式機器人體現出它的優越之處，因此在部隊、公安、消防、工業及人員生命救助等方面有著廣泛的應用。

關鍵詞：履帶式；機器人；穩定性

機器人的穩定性分析

履帶式機器人行進時，當遇到斜坡或者平面上一些比較凹凸不平的地面時，它的行進將會受到阻礙，能否保持穩定是履帶式機器人研究的基礎和前提。因此，分析其穩定性是履帶式機器人這項研究的一個重要環節。

履帶式機器人的穩定性含義：在平面和一定的斜面上，履帶式機器人能保證不隨意滑動或者翻倒且能保持在一個穩定的狀態的性能。所以對于履帶式機器人來說，它的穩定性是至關重要的。機器人的穩定性分析分為兩個方面，一個是橫向穩定性分析，另一個則是縱向穩定性分析。下面我們來做具體的分析。

橫向穩定性

履帶式機器人的橫向穩定性是指機器人在斜坡上是否沿著橫坡滑動或者橫向傾翻。當機器人不發生上述情況時說明此時的橫向穩定性較好。當機器人在斜坡上保持穩定時，它的受力情況如圖所示。

B——機器人兩導軌的軌距

B——機器人履帶的接地寬度

Β——橫坡角度

E——機器人重心離開縱向的垂直面的偏移距離

Y1 ， Y2——兩履帶受到的地面垂直反力

Z1， Z2——地表作用于履帶上的與坡面平行的力

當機器人在斜坡上剛好沿向橫向翻傾時，我們選擇這一臨界狀態進行分析，此時機器人的右側不再受力，所以地面反力Y1為零。而此時整個機器人都往它的左邊履帶壓，使得它的重力對其左邊的履帶的下邊緣作用，此時我們對地面反力Y2取矩可知：

由上式可得到機器人的橫向極限坡度角 為：

當機器人開始橫坡下滑時，有

由上式可得到：

——履帶式機器人在水平方向上的附著系數。

由上式可以得出履帶式機器人在斜坡上不發生橫向滑動的條件是：履帶機器人的橫向附著系數應大于橫坡角的正切值。

通過對機器人的穩定性分析我們可以得總結出這一結論：履帶式機器人的穩定性受到它自身的總體大小和尺寸以及機器人重心的位置的影響（不包括其他因素對其穩定性造成的影響）。因此，在實際的機器人研究中，如果想要使履帶式機器人的穩定性更好，合理設計機器人的尺寸和大小以及調整好它的重心位置是一個比較可行的方法。

縱向穩定性

機器人的極限坡度角和極限下滑角是縱向穩定性的基本分析標準

上圖為履帶式機器人的極限坡度角，在機器人上坡的時候，當機器人的重心在后輪的后面時，機器人的受力不平衡，從而導致車身向后發生傾翻。從上述條件可以計算出機器人的上坡時的極限坡度角 。

同理我們可以計算出機器人下坡時的極限坡度角 。

L為機器人履帶的接地長度。則它的的極限下滑角 為：

存在的問題

能源問題。如今，電子技術的發展雖然較快，但電池的技術卻沒有和電子技術達到一致，因此現在的電池能源的儲能和體積無法達到一個良好的狀態。

體積與重量無法協調好，導致了生產成本過高，同時也使機器人不夠靈活，不利于正常展開工作。

控制方法應當優化，以到達比較好的效果。

相對于大部分類型的機器人來說，履帶式機器人的穩定性稍差。

應用方面

我們的便捷式履帶代步機器人的設計初衷是根據我國的社會老齡化日益嚴重的現狀，為解決中老年人的出行問題而進行設計研究的一款產品。該產品具有攜帶方便，操作簡單，動力強勁，安全、綠色無污染等優點，解決了老年人出門出行不方便的問題。該產品既能夠作為代步工具，方便中老年人出行，又能夠運載少量貨物，為人們的出行減輕負擔，從而使社會更加和諧。

參考文獻：

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