一種新型自平衡越障機構的設計與建模

1、一種新型自平衡越障機構的設計與建模一種新型自平衡越障機構的設計與建模呂瓊瑩楊柳（長春理工大學機電工程學院吉林長春130022）摘要：本文設計開發(fā)一種新型自平衡越障小車，該車是一輛左右兩輪各自獨立驅動，通過先進的微處理器，傾角傳感器等控制系統(tǒng)以及車體機械裝置來控制左右兩擺臂前后擺動，實現(xiàn)整車平衡和越障功能。本文對自平衡越障小車的機械結構進行設計，闡述了其運動工作原理、和運動規(guī)劃行走姿態(tài)，以及對其進行牛頓力學建模。關鍵詞：自平衡越障機械結構

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是繼摩托車、汽車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。其開發(fā)設計著眼于未來交通代步工具的主流，本文從提高自平衡小車越障功能出發(fā)，設計開發(fā)一種新型輪式自平衡快速移動越障機構。1功能分析與設計方

6、案功能分析與設計方案作為自平衡越障機構這類機器人，其基本功能也就是自平衡移動和越障功能，典型的越障移動方式：履帶式、腳足式、輪式。表1為這幾種經(jīng)典越障移動方式的優(yōu)缺點[26]。表1典型的越障移動方式以及優(yōu)缺點比較移動方式優(yōu)點缺點履帶式支撐面積大，對路面適應性強地面破壞性大，靈活性差腳足式對步行環(huán)境要求低，較高的越障能力行進速度較慢，控制實現(xiàn)復雜，穩(wěn)定性和可靠性低(b)(c)圖3整車越障礙時的姿態(tài)4牛頓力學數(shù)學建模牛頓力學數(shù)學建模兩輪自平

7、衡越障車主要由車輪、擺臂、車體和控制系統(tǒng)四個部分組成，其中電機帶動的車輪是主動機構，而擺臂、車體本身是隨動機構，要實現(xiàn)系統(tǒng)平衡，就要控制電機實現(xiàn)正反轉運動來實現(xiàn)扭矩來實現(xiàn)。假設車體失去平衡向前傾斜，那么電機帶動車輪就得有個加速度來保持車體處于平衡狀態(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)的復雜性、非穩(wěn)定、非線性性，產(chǎn)生了諸如隨動、跟蹤、魯棒性等問題[810]。運用牛頓法進行力學分析，影響平衡車的主要參數(shù):車身重量、車輪半徑、

8、車體重心等。為了使得系統(tǒng)保持動態(tài)平衡，車身重心應位于車體中心線一定角度范圍之內(nèi)。在這里假設系統(tǒng)為剛體，并忽略地面與輪胎之間的側向滑動，兩個擺臂的擺角==根據(jù)圖1車體模型進行受力分析，1?2??建立力學模型。因為車輪沒有Y軸方向的位移，所以只建立其在X軸方向的力學模型。圖4車體結構簡圖左車輪力學建模：lllxwlllmxfFJxTfRR????????右車輪力學建模：rrrxwrrrmxfFJxTfRR????????其中，、為左右車輪水

9、平方向lxrx坐標[m]，、分別為地面對左右車輪lfrf作用產(chǎn)生的摩擦力[N]，、分別為車lxFrxF輪在水平方向的作用力[N]，、分別為lTrT電機對車輪產(chǎn)生的扭矩[kgm]，表示車wJ輪繞Z軸方向的轉動慣量[kgm2]，表示R車輪半徑[m]，表示車輪重量[kg]。m車體力學建模：plxrxMxFF??????????sincosplrlxlxlrJNNLFFLTT???????????lrMyNNMg???????2lxrxDJFF