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        一種新型船用運(yùn)輸機(jī)構(gòu)

        2016-05-18 09:23:53房玉吉
        船海工程 2016年2期

        房玉吉,李 瑋

        (中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430064)

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        一種新型船用運(yùn)輸機(jī)構(gòu)

        房玉吉,李瑋

        (中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心,武漢 430064)

        摘要:介紹國(guó)內(nèi)外幾款典型的應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)構(gòu),分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn),提出一種面向“立板式”障礙的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)對(duì)“立板式”障礙具有較好的適應(yīng)性,可順利跨越船舶通道中主橫艙壁上的門(mén)檻,用于船舶通道中的運(yùn)輸或巡檢等。

        關(guān)鍵詞:移動(dòng)機(jī)構(gòu);“立板式”障礙;船舶通道

        隨著遠(yuǎn)洋船舶不斷朝著大型化方向發(fā)展,艦船的噸位變得越來(lái)越大,船上人員變得也越來(lái)越多,這對(duì)艦船上的生活保障設(shè)施提出了更高的要求,出現(xiàn)了很多亟待解決的問(wèn)題,其中有船上生活物品的轉(zhuǎn)運(yùn)問(wèn)題,例如,食品,物品及垃圾的轉(zhuǎn)運(yùn)。由于艦船上出于對(duì)防水,防火的要求,設(shè)置了很多主橫隔壁,導(dǎo)致在主通道上,用于跨越主橫隔壁的門(mén)上也存在一定高度的門(mén)檻,這給物品轉(zhuǎn)運(yùn)帶來(lái)了較大的困難。

        一般情況下艦上選擇人工搬運(yùn)或者使用木樁斜面的形式跨越門(mén)檻,由于艦員較多,每天要運(yùn)輸?shù)奈锲妨糠浅4?,人工搬運(yùn)的方式對(duì)人力資源消耗較大,使用木樁的形式在人員穿越主橫艙壁上門(mén)洞的時(shí)候容易撞頭受傷,且還牽扯到木樁的擺放和收集問(wèn)題,兩種方式都不能很好地解決艦上物品轉(zhuǎn)運(yùn)問(wèn)題。船上通道屬于非結(jié)構(gòu)環(huán)境,一般的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)無(wú)法在該環(huán)境下正常使用。

        1國(guó)外研究現(xiàn)狀

        國(guó)外應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動(dòng)機(jī)構(gòu)最成功的案例當(dāng)數(shù)Sojourner探測(cè)車和火星車Mars Rover。Sojourner探測(cè)車外觀見(jiàn)圖1,由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制。該探測(cè)車采用6輪搖臂懸吊式結(jié)構(gòu),對(duì)復(fù)雜地形具有優(yōu)良的適應(yīng)能力,該產(chǎn)品的4個(gè)角輪可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和控制,保證了良好的機(jī)動(dòng)性[1]?;鹦擒嘙ars Rover外觀見(jiàn)圖2,已在火星成功著陸,該產(chǎn)品具有強(qiáng)大的越障能力、原地360°的轉(zhuǎn)彎能力及伸縮性,具備超強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性能。

        圖1 Sojourner探測(cè)車外觀

        圖2 火星車Mars Rover外觀

        圖3 Go-for機(jī)器人外觀

        Go-For機(jī)器人外觀見(jiàn)圖3,由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制,此產(chǎn)品在翻倒時(shí),通過(guò)旋轉(zhuǎn)改變前后腿的分布角度,從而改變自身的重量分布,實(shí)現(xiàn)自位過(guò)程,可以使自己重新站立起來(lái)[2]。德國(guó)人工智能研究中心研制出一款移動(dòng)機(jī)器人,外觀見(jiàn)圖4。該產(chǎn)品屬于輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)的變結(jié)構(gòu)形式,由機(jī)體和4個(gè)輪子組成,每個(gè)輪子由5個(gè)桿件組成,對(duì)地形有較好的適應(yīng)性[3],但該機(jī)器人顛簸震動(dòng)較大,基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速行駛。

        圖4 輪腿混合式機(jī)器人ASGUARD外觀

        最能代表當(dāng)今世界移動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)展水平和引領(lǐng)未來(lái)發(fā)展方向的兩款移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)數(shù)美國(guó)的“大狗”機(jī)器人和日本的“ASIMO”機(jī)器人。

        美國(guó)的“大狗”機(jī)器人外觀見(jiàn)圖5,由波士頓動(dòng)力學(xué)工程公司(Boston Dynamics)專門(mén)為美國(guó)軍隊(duì)研究設(shè)計(jì),該產(chǎn)品能夠在戰(zhàn)場(chǎng)上為士兵運(yùn)送彈藥、食物和其他物品。當(dāng)受到“騷擾”時(shí),優(yōu)異的主動(dòng)平衡性可使其保持穩(wěn)定,最新款“大狗”可以攀越35°的斜坡,可以承載40多kg的裝備,即使行走在冰面上,也不會(huì)摔倒。

        圖5 “大狗”機(jī)器人外觀

        日本的“ASIMO”機(jī)器人外觀見(jiàn)圖6,該產(chǎn)品行走自如,可進(jìn)行“8”字形行走和上下臺(tái)階,此外,該產(chǎn)品還能夠以6 kg/h的速度奔跑,而且能在奔跑過(guò)程中自行改變方向。“ASIMO”的全身各部位具有極高的平衡性和協(xié)調(diào)性,能夠隨著音樂(lè)翩翩起舞,推車前進(jìn)、搬運(yùn)托盤(pán)更是讓其他機(jī)器人望塵莫及。

        圖6 “ASIMO”機(jī)器人外觀

        2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

        國(guó)內(nèi)在應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究主要集中在高校。南京理工大學(xué)設(shè)計(jì)的一種改進(jìn)的搖臂-轉(zhuǎn)向架式6輪腿移動(dòng)機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖7,在O、A、O′和A′點(diǎn)處分別安裝了直流伺服電機(jī)和增量編碼器,負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)構(gòu)越障時(shí)的抬腿操作和在非平整地面環(huán)境下調(diào)整關(guān)節(jié)角度以保持車體的平穩(wěn);行駛機(jī)構(gòu)兩側(cè)的搖臂通過(guò)差速裝置連接,主車體固定在差速箱體上,差速裝置箱體與前搖臂固定,而差速裝置的差速軸與后搖臂固定,以減緩主車體左右傾斜程度[4]。

        圖7 改進(jìn)的搖臂-轉(zhuǎn)向架式六輪腿移動(dòng)機(jī)構(gòu)

        北京航空航天大學(xué)提出了一種變結(jié)構(gòu)輪/腿式探測(cè)機(jī)器人(見(jiàn)圖8),機(jī)器人車身采用可變形的平行六邊形結(jié)構(gòu),6根桿順序以鉸鏈連接,通過(guò)控制連接點(diǎn)處角度的變化就可以使探測(cè)車橫向?qū)挾劝l(fā)生變化,車身兩側(cè)分別對(duì)稱裝有2條相同且相互獨(dú)立的輪腿混合結(jié)構(gòu),每條腿都有3個(gè)自由度,其機(jī)構(gòu)可以變化為輪式或腿式步行機(jī)構(gòu)[5]。

        圖8 變結(jié)構(gòu)輪/腿式探測(cè)機(jī)器人組成示意

        哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的一款移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖9,外觀圖見(jiàn)圖10。該機(jī)器人為輪腿復(fù)合式機(jī)構(gòu),主要由車身和6套輪腿系統(tǒng)組成。每個(gè)車輪都有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電機(jī),每個(gè)輪腿系統(tǒng)與車身的連接處有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),也有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī),整個(gè)機(jī)器人有12個(gè)自由度。該機(jī)器人對(duì)垂直障礙、壕溝障礙、斜面等典型障礙有較好的通過(guò)能力,但對(duì)立板式障礙通過(guò)性較差。

        圖9 輪腿復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)示意

        圖10 輪腿復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人外觀

        3一種新型越障移動(dòng)機(jī)構(gòu)

        3.1總體結(jié)構(gòu)介紹

        提出一種新型越障移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11,為輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu),整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)由車體和6套輪腿結(jié)構(gòu)組成。每套輪腿結(jié)構(gòu)與車體的連接處(圖中A、B、C、D、E、F)都有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。將6套輪腿結(jié)構(gòu)按車前后方向分為4排,每排的輪腿結(jié)構(gòu)都有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng),使整個(gè)輪腿結(jié)構(gòu)可以繞其轉(zhuǎn)動(dòng)副在空間內(nèi)沿任意方向做任意角度的旋轉(zhuǎn)。針對(duì)船舶上空間狹小的特點(diǎn),移動(dòng)機(jī)構(gòu)需要有足夠的靈活性,且考慮到控制的復(fù)雜性,移動(dòng)機(jī)構(gòu)的6個(gè)車輪中,只有最前和最后的2個(gè)車輪安裝有驅(qū)動(dòng)行走和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的電機(jī),中間的4個(gè)車輪為萬(wàn)向輪,這樣整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)共有8臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī),使該機(jī)構(gòu)可以在平面內(nèi)按照任意半徑旋轉(zhuǎn)。

        圖11 新型越障移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

        3.2越障動(dòng)作規(guī)劃

        下面根據(jù)圖12對(duì)越障移動(dòng)機(jī)構(gòu)跨越“立板式”障礙的動(dòng)作規(guī)劃進(jìn)行分析,為表達(dá)方便,移動(dòng)機(jī)構(gòu)以其側(cè)視圖表示。

        圖12 移動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作規(guī)劃示意

        1)初始狀態(tài)為“立板式”障礙在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的正前方,如圖12a)所示。此時(shí)機(jī)構(gòu)最前排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)向前抬起,使前輪高于障礙的高度,如圖12b)所示,通過(guò)最后排輪的驅(qū)動(dòng)使整個(gè)機(jī)構(gòu)前進(jìn),障礙在前排車輪的下方順利通過(guò),進(jìn)入如圖12c)所示的狀態(tài),前排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)向后擺動(dòng),恢復(fù)到初始狀態(tài)。

        2)第二排的2套輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)按順時(shí)針?lè)较蛳蚝髷[動(dòng),使其車輪高于障礙物的高度,如圖12d)所示。此時(shí)前、后車輪驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)前進(jìn),進(jìn)入圖12e)所示的狀態(tài)。第二排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)繼續(xù)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),直至回復(fù)到初始狀態(tài),如圖12f)所示。

        3)第三排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)重復(fù)步驟2中第二排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)的動(dòng)作,經(jīng)過(guò)圖12g)所示狀態(tài),進(jìn)入圖12h)所示狀態(tài)。

        4)最后排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)抬起,如圖12i)所示,通過(guò)最前排車輪驅(qū)動(dòng)前進(jìn),最后排車輪跨越障礙后,反方向旋轉(zhuǎn),回復(fù)到初始狀態(tài),如圖12j)所示。

        即使在有一定負(fù)載的情況下,該移動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可保證在越障的整個(gè)過(guò)程中,整體的重量重心都在輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)的支撐范圍內(nèi),機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生傾覆。

        4結(jié)束語(yǔ)

        目前國(guó)內(nèi)外的移動(dòng)機(jī)構(gòu)均不能較好的應(yīng)對(duì)“立板式”障礙,所提出的越障移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)“立板式”障礙的適應(yīng)性較強(qiáng),可應(yīng)用于該類典型障礙環(huán)境中的運(yùn)輸、巡檢等,有一定的應(yīng)用前景。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 何峰.六輪腿移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析及控制系統(tǒng)的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2005.

        [2] 徐賀.可重構(gòu)多機(jī)動(dòng)模式移動(dòng)機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

        [3] EICH MARKUS, GRIMMINGER FELIX, KIRCHNER FRANK.Proprioceptive control of a hybrid legged-wheeled robot[C]∥Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics,Bangkok, Thailand, February 21-26,2009:774-775.

        [4] 方崗.六輪腿自主移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模糊控制技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2006.

        [5] 田娜,丁希侖,戴建生,等.一種新型的變結(jié)構(gòu)輪/腿式探測(cè)車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2004(1):268-270.

        特此更正。

        A New Type of Obstacle-climbing Mobile Institution

        FANG Yu-ji, LI Wei

        (China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

        Abstract:The typical mobile institutions for the environment of complex structure of terrain are introduced and their advantages and disadvantages are analyzed. A new mobile institution for the vertical-plated obstacle is put forward, which has high adaptability to the vertical-plated obstacle. It can well across the threshold in the ship channel, and can be used in transportation or inspection in the ship channel.

        Key words:mobile institutions; vertical-plated obstacle; ship channel

        中圖分類號(hào):U664

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        文章編號(hào):1671-7953(2016)02-0119-04

        第一作者簡(jiǎn)介:房玉吉(1985-),男,碩士,工程師E-mail:lfivlf@163.com

        基金項(xiàng)目:國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

        收稿日期:2016-01-06

        DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.031

        更正聲明:本刊2015年第6期第144頁(yè),由于排版人員疏漏,將標(biāo)題“1項(xiàng)目背景”漏掉,

        修回日期:2016-01-21

        研究方向:船舶輔助系統(tǒng)

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