[发明专利]一种轮式移动机器人的地面应力分布测量系统及方法

说明书

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及方法，主要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的内嵌式地面应力测量系统，采用如下方式：首先，利用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。本发明提供的应力分布测量系统及方法，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。

技术领域

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。

发明内容

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。