一种轮式移动机器人的地面应力分布测量系统及方法与流程

本发明属于轮式移动机器人测控技术领域，尤其涉及一种轮式机器人的车轮-地面应力分布测量领域。

背景技术：

轮式移动机器人在代理人类从事危险作业、星球探测以及野外巡检等工作中越来越受到人们的关注。轮式移动机器人的车轮在土壤上行驶时，由于土壤颗粒受力发生变形流动，车轮容易发生滑移、沉陷等问题，将严重阻碍移动机器人的正常行驶。根据车辆地面力学的研究，轮式机器人运动是车轮与地面相互作用的结果，行驶状态下车轮作用于地面的应力分布关系决定了机器人是否产生滑移、沉陷等，因此，获得其地面应力分布数据对有效估算轮式机器人的动力性及地面通过能力至关重要。

车辆地面力学模型已经被相关学者在20世纪60年代所提出，由于受技术手段制约，车轮与地面接触应力分布直接测量还难以实现，方式采用土壤地面力学模型来估计车轮与地面接触应力分布情况；现有的技术手段中，主要采用外嵌式或外部的手段来检测车轮-地面之间的应力及分布关系，包括利用视觉图像测量车轮或轮胎印迹的方法、利用地面内埋入压力传感器方式、利用车轮/轮胎表面布置的阵列应变片或导电环等。这些方法在实际应用中仍存在很多不足：

(1)模型估计的方法中存在过多假设，如假定车轮宽度方向上压力分布为相同，而在实际应用中沿车轮宽度方向的应力分布为突起山峰状的曲线；

(2)由于车轮与实际地面接触的应力分布规律并不均匀，外嵌式或外部测量手段并不能直接、有效测量车轮-地面接触区的微观作用关系，无法有效获取、准确地量化评价；

(3)外嵌式测量多属于离线的方法，难以描述动态的车轮-地面应力分布关系，如行驶状态的车轮地面应力分布关系和规律；

(4)外嵌式往往需进一步的数据处理或借助于上层的估计算法，方法复杂；

(5)往往需要大量的传感器，如阵列式应变片，且传感器本身对空间和力分辨率过低，很难达到测量应力分布的效果。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种轮式移动机器人的地面应力分布测量系统及方法，其目的在于：以获取客观、合理且准确的机器人车轮-地面接触区域的应力分布规律，为有效分析移动机器人的轮-地相互作用、轮式机构的运动特征、以及动力性和地面通过能力等提供一种重要手段和依据。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种轮式移动机器人的地面应力分布测量系统，轮式移动机器人的车轮结构包括轮圈和轮辋；所述测量系统包括三维力传感器、上连接法兰、下连接法兰、接触部件及配套夹具；所述三维力传感器连接于一对上、下连接法兰，所述上连接法兰连接于轮辋上，所述下连接法兰连接于接触部件及其配套夹具，接触部件与轮圈紧密接触。通过这种方式，上述系统所有部件均嵌于车轮内，可随车轮一起旋转，车轮与地面的接触力由接触部件传递于三维力传感器，实现当前地面接触位置点的应力测量。

优选地，所述三维力传感器通过螺栓连接于一对上、下连接法兰。

优选地，所述上连接法兰焊接于轮辋上。

优选地，所述下连接法兰螺栓连接于接触部件及其配套夹具。

优选地，所述接触部件上开有一对供安装的螺纹孔一，所述配套夹具包括一对对称夹具，所述对称夹具上各开有10个相应的螺纹孔二，螺纹孔二将车轮宽度等分为10份，使得接触部件能够沿车轮宽度方向进行位置调整，实现沿轮宽方向其他位置的一维正应力分布测量。

一种轮式移动机器人的地面应力分布测量方法，主要包括以下步骤：

步骤一、测量系统连接安装：

设置p#为此时测量接触部件的安装位置，其中p≤10，将p#位置下的三维力传感器、连接法兰、接触部件及夹具连接；

步骤二、应力分布测量：

（1）机器人在行驶一段大于车轮周长的距离后，测量车轮圆周方向上的应力分布；

（2）测量三次并取平均值，其结果为位置p#的一维正应力分布数值；

（3）更换接触部件的安装位置，此时的接触部件的编号p=p+1；

（4）当p＜10的接触部件，重复步骤(2)-步骤(3)；

（5）当p=10时，进入步骤(6)；

（6）叠加从1#~10#编号测得的10个测量位置的一维正应力分布数据，整理，获得车轮的二维正应力分布数据。

步骤三、二维正应力分布建模：

利用步骤二的二维数据，采用高阶多项式回归拟合得到完整的车轮-地面接触的二维正应力分布模型，表示为

其中，n为多项式的阶数，为防止过拟合而设定，ai、bi、ci和d均为多项式的系数，。

本发明所述的移动机器人是指广泛应用的轮式或基于轮式驱动的地面移动机器人，如常见的电动小车、星球探测车、巡检探测平台等，且在常规的低动态或较低速行驶状态。

相对于现有技术，本发明有益效果如下：

本发明采用内嵌式的地面应力测量系统，测量车轮圆周方向上的一维正应力分布；叠加10个在车轮宽度方向的一维正应力分布，获得二维的正应力分布；建立基于高阶多项式回归的正应力分布模型，画出完整的二维应力分布情况。本发明设备简单、方法有效，能准确获取客观、合理的车轮-地面应力分布规律，为分析移动机器人的轮-地相互作用、轮式机构的运动学特征、动力性和地面通过能力等提供了一种重要手段。

附图说明

图1为本发明车轮与地面接触应力分布的说明图。

图2为本发明测量系统俯视结构示意图。

图3为本发明测量系统侧视结构示意图。

图4为本发明二维正应力分布的测量过程示意图。

图5为测量的正应力分布的散点数据图。

图6为二维正应力分布的曲面拟合结果示意图。

图中：1、轮辋，2、三维力传感器，3、上连接法兰，4、下连接法兰，5、配套夹具，6、接触部件，7、轮圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方法与附图，对本发明实施例中的技术方案完整地进行描述。

如图1所示为轮式机器人的车轮与地面接触时应力分布的侧视图及正视图，其中，r为车轮半径，b为车轮宽度，ω为车轮转动角速度，θ为车轮与地面接触角且垂直方向为0度，θf为进入角，θr为离开角，fz为垂直力，fx为牵引力，由车辆地面力学理论可知，σ即表示为与接触角θ和沿轮宽方向y相关的地面应力分布，反映了车轮-地面相互作用的运动学和动力学特性，本发明即是针对该应力分布的测量系统及方法。

本发明公开一种轮式移动机器人的地面应力分布测量系统与方法，采用内嵌式的地面应力测量系统，测量车轮圆周方向上的一维正应力分布；叠加10个在车轮宽度方向的一维正应力分布，获得二维的正应力分布及模型。

如图2所示，所述的地面应力分布测量系统，包含一个三维力传感器、一组连接法兰、一个接触部件及配套夹具构成。三维力传感力传感器通过螺栓连接于一对上、下连接法兰，上连接法兰焊接于轮辋，下连接法兰螺栓连接于接触部件及其夹具，接触部件与轮圈紧密接触。接触部件上开有一对供安装的螺纹孔，而一对对称夹具上各开有10个相应的螺纹孔，螺纹孔将车轮宽度等分为10份，使得接触部件能够沿车轮宽度方向进行位置调整，实现沿轮宽方向其他位置的一维正应力分布测量。

在本发明一个较佳的实例中，三维力传感器选用德国me公司的k3d60三维力传感器，为圆柱形形状，其线性误差≤0.2%，其材料抗拉程度不小于950mpa，屈服强度不小于800mpa，可承受机器人本体的载荷需求；同时，上、下连接法兰之间可预留较大的安装缝隙，为方便导线及其信号传输。当轮式机器人地面行驶时，一个车轮转动周期的测量数据即为沿车轮该圆周方向上的一维正应力分布。

在本发明一个较佳的实例中，接触部件由薄铝板制成的，接触部件凸起处与车轮轮圈的实际接触区域为2.5mm×10.5mm，接触部件的凸起位置与车轮中心之间的距离分别为0-10mm、10-20mm、20-30mm、30-40mm和40-50mm。

如图3所示，所述的轮式移动机器人地面应力分布的测量方法，主要包括以下步骤：

步骤一、测量系统连接安装：设置p#为此时测量接触部件的安装位置，其中p≤10，将p#位置下的三维力传感器、连接法兰、接触部件及夹具采用螺栓安装；

步骤二、应力分布测量：采用所述测量系统对待测车轮进行应力分布测量，具体包括以下步骤：

（1）机器人在行驶一段大于车轮周长的距离后，测量车轮圆周方向上的应力分布；

（2）测量三次并取平均值，其结果为位置p#的一维正应力分布数值；

（3）更换接触部件的安装位置，此时的接触部件的编号p=p+1；

（4）当p＜10的接触部件，重复步骤(2)-步骤(3)；

（5）当p=10时，进入步骤(6)；

（6）叠加从1#~10#编号测得的10个测量位置的一维正应力分布数据，整理，获得车轮的二维正应力分布数据。

步骤三、二维正应力分布建模：利用步骤二的二维数据，采用高阶多项式回归拟合得到完整的车轮-地面接触的二维正应力分布模型，表示为

其中，n为多项式的阶数，为防止过拟合而设定，ai、bi、ci和d均为多项式的系数，。

在本发明一个较佳的实例中，将接触部件的可调整位置沿宽度方向由左至右进行编号，分别是p1、p2、...、p10。10个接触点位置部件分2组进行布设，以车轮中心对称分布。其中编号分别为p1、p3、p5、p7、p9的接触部件为一组接触部件，剩余编号的部件为另一组接触部件。p1和p10与车轮中心之间的距离为40-50mm，p2和p9与车轮中心之间的距离为30-40mm,以此类推，p5和p6与车轮中心之间的距离为0-10mm。

在本发明一个较佳的实例中，车轮的参考转速设定为2m/s，正应力的测量需要车轮转速达到参考转速后进行，如图4所示，分别给出了车轮-地面接触的正应力分布采集数据结果。可观测到，行驶时接触角接近0时，三维力传感器越接近垂直，所受地面应力越大；而在车轮宽度方向，则越接近车轮中心，受力越大。在本实验中，采用4阶的二维正应力分布模型拟合结果为：

其中，系数项ai=[1.77,-0.18,-2.78e-5,2.28e-6]，bi=[2.30e-16,-0.014,-3.46e-20,7.67e-8]，ci=[2.64e-20,7.03e-05,2.96e-21]，d=35.5。基于曲面拟合结果，所绘制的二维正应力分布如图5所示；可观测到，实际应用中车轮-地面接触区域的二维正应力分布呈现突起山峰状的曲面，该拟合具有较好的效果。

本发明所述的移动机器人是指广泛应用的轮式或基于轮式驱动的地面移动机器人，如常见的电动小车、星球探测车、巡检探测平台等，且在常规的低动态或低速度行驶状态。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。