消防機器人行走系統發展初探

摘 要：作為特種機器人之一的消防機器人，其結構系統主要包括行走系統、動力傳動系統和搭載系統。由于其特殊的工作環境消防機器人的行走系統顯得極其關鍵。在對消防機器人行走系統的分類和發展進行介紹基礎上，結合國內外發展狀況，重點介紹了履帶式行走系統，并參考其他履帶式機械行走系統的結構和性能特點，對履帶式行走系統的機動性能研究現狀進行了闡述。最后預測了消防機器人行走系統的發展趨勢。

關鍵詞：消防機器人；行走系統；發展

1 概述

消防機器人則是屬于機器人家族中進行特種作業的機器人，可替代消防救援人員進入有毒、有害、易坍塌、缺氧、濃煙、放射性等危險災害現場進行探測、滅火、救災等消防救援工作[1]。消防機器人的關鍵技術主要包括：機械結構、控制技術、傳感技術等。功能作用主要有：越障、爬坡、偵測、控制處理通信、滅火、救援、防爆等[2]。消防機器人的機械機構系統主要包括行走系統、動力傳動系統和搭載系統。其中行走系統在移動式機器人系統中占據著極其重要的地位。對于消防機器人而言由于其特殊的工作環境消防機器人的行走系統顯得極其重要。

2 消防機器人行走系統研究現狀[3]～[8]

機器人的行走系統經過近四十年的發展，已從輪式發展到履帶式、腿足式、輪履復合式等行走方式。

2.1 輪式行走系統

常見的輪式行走機構有三輪、四輪、五輪、六輪等。該移動機構運動速度高，控制簡單。但牽引附著性能差，在坡地、粘重、潮濕地及沙土地的使用受到一定的限制，易產生的打滑和沉陷。故輪式機構不宜在復雜環境下工作[6]。

2.2 腿足式行走系統

腿足式行走系統一般依據仿生學原理。常見的主要有兩足、四足、六足等結構形式。該結構優點是適合在多種路況的路面行走，機動性靈活，可輕易越過大跨度障礙和松軟地面。其缺點是結構形式復雜、運行速度慢、控制較難，應用較少，多數尚處于實驗階段[6]。

2.3 履帶式行走系統

履帶是人類繼發明車輪之后又一進步，使得車輛與地面的接觸由“線”到“面”。一般而言履帶式行走裝置由履帶、履帶架、臺車架等組成。履帶總成一般由履帶板、驅動輪、支重輪、托帶輪和導向輪組成。履帶架分為整體式與分離式兩種。整體式履帶架結構組成一般為“四輪一帶”，即驅動輪、導向輪、支重輪、拖鏈輪和履帶鏈板，和張緊裝置、底座和平衡梁等。分體式履帶單元一般采用三段履帶架，其履帶的驅動輪、導向輪和個別拖鏈輪直接裝在平衡梁上[5]。履帶式行走機構具有有一系列優點：地面的承壓力、滾動阻力和陷度均較小；通過性能好，轉彎半徑較小；牽附性能好，不易打滑；越野機動性等性能較好[6]。履帶式行走系的出現則提高了機器人的越障性、穩定性和通過性。這對于消防機器人而言具有重要意義，因此在消防機器人中采用履帶式行走裝置的占絕大多數，對履帶式行走裝置的應用和研究較為深入，一些其他履帶式車輛對履帶式行走裝置的研究對消防機器人而言也具有可參考意義。履帶式行走機構的結構形式可分為單節雙履帶式、雙節四履帶式、多節多履帶式、多節輪履復合式等幾種形式。其各種結構形式的特點如下[6]：

單節雙履帶式：結構簡單，驅動控制方便；但在越障爬梯過程中優勢發揮不明顯。

雙節四履帶式：機器人穩定性和越障能力均較高。但對機器人的擺臂驅動控制部分提出了更高的要求[6]。

多節多履帶式是指節數多于或等于三節，具有三條和三條以上的履帶行走裝置。根據行走裝置布置行式可分為三節三履帶式、三節六履帶式、三節12履帶式、四節四履帶式等。目前主要應用在大型礦山機械中如大型斗輪挖掘機，履帶條數達16條。

多節輪履復合式：輪履復合式一般為三節，中間為輪式，兩端為履帶擺臂，將輪式的快速性和履帶式良好的地面適應性結合起來。此種結構的輪履復合式移動機器人的越障性能較好。對于消防機器人而言，采用履帶式行走機構占多數。擺臂可以旋轉過來形成雙節履帶式移動機器人，所以攀爬性能較好。目前國內外也正在積極開發該種機器人。如Y.Maeda等的多功能機器人、Andros系列機器人、以及中科院沈陽自動化所研制的CLIMBER、美國的“變形金剛”、四川中科院光電所研制的超小型排爆機器人等。

可重組履帶式：即模塊化的可重組機器人，可實現多種運動步態，物理結構靈活，環境適應能力和生存能力較強。國外研究較早，重組方式主要是鏈式、格式和運動式。國內研究起步較晚。

2.4 履帶式行走系統機動性能研究現狀

近40年來，國內某些院校、科研院所和企業對履帶式行走系統進行了一定的研究，取得了一定的成果。

哈爾濱工業大學的劉少剛[8]等對履帶的構型原理進行了分析推演，總結提出了幾種不同構型的履帶機構。韓淑潔[9]在其設計的消防機器人中采用的是履帶輪式行走機構，單邊為三條鏈。吉林大學的李勇[5]對常見多履帶行走裝置布置形式進行了總結，列舉出了9種履帶布置形式。如圖1所示。

圖1 履帶行走裝置結構布置

文獻[11]提出的基于PLC控制的搖桿履帶式自主消防機器人，采用搖桿履帶式行走機構。在文中對結構進行了創新設計的研究，將搖桿機構與履帶機構結合移植于機器人彌補了原有產品不足。履帶結構越野通過性好，搖桿結構可以優化，力學合理。消防機器人工作環境較為惡劣，其越障性能極為重要。采用履帶式行走系提高了越障能力，相對輪式而言效率更高。因此對履帶式行走系的應用和研究可為消防機器人行走系統提供參考。而履帶式行走系統的機動性能一般包括：越障性、轉向性和平順性。

2.4.1 越障性

越障性是指機器人利用其行走機構驅使機器人移動，使其質心越過障礙的關鍵邊界線，在此過程中機器人不發生傾覆，不受障礙卡阻，能繼續保持機器人的穩定姿態與移動能力，坡路、階梯、溝道等人工地形，影響或阻止機器人平臺正常移動的地形、地物稱為障礙地形，一般將障礙地形簡化為斜坡、臺階、凸臺3種典型特征的地形，這3種簡單地形可進行組合形成斜坡、連續臺階、凸臺、壕溝等障礙地形。[12]其中攀越連續臺階的的性能最能體現機器人的越障能力。對于履帶機器人，只需著重分析機器人攀爬臺階、斜坡和壕溝的越障過程。

揚州大學的鞏青松[13]主要是對可通過的壕溝的寬度或臺階的高度進行了分析。北京特種車輛研究所王克運[14]等對高速履帶的越障過程運用Matalab/Simulink進行了動力學仿真。中國礦業大學的方海峰[15]等通過引入柔性關節設計了一種具有被動擺臂的四履帶機器人，并對其越障能力進行了理論分析，采用Adams軟件對該機構進行了運動學仿真，證明被動擺臂結構比同尺寸的主動擺臂形式越障能力要強。文獻[16]對連續采煤機履帶行走裝置進行了研究，運用Adams軟件對履帶行走裝置進行了動力學仿真，從結果中得出了驅動輪的運動特性和驅動輪和履帶板之間的接觸力的變化規律，可作為履帶行走機構的研究提供參考。

目前而言，越障性評價指標[17]主要是：地面的單位壓力、越壕能力和攀越能力。地面的單位壓力定義為：

其中：Fa-整機重量；L-履帶接地長度；b-履帶寬度

越壕能力是指機器人在不墜落的情形下能夠越過的壕溝寬度，最大越壕能力根據整機重心的位置、機器人履帶接地長度、誘導輪主動輪高度及履帶上升角來定。攀越能力是指機器人正好能攀登的障礙物的垂直高度。

2.4.2 轉向性

轉向性是履帶式機械行駛理論的核心問題[18]，其轉向過程是一個復雜的動力學過程，通過兩側履帶產生的速度差來完成，體現其改變運動方向的能力。既和總體機構、動力、轉向有關，又和地面條件有關。目前對履帶式機器人轉向性能的評價指標有：平均轉向角速度、轉向半徑和轉向消耗功率。按運動學特性來分，有三種典型的轉向方式：中心差速式，內側降速式（或獨立式轉向）和外側升速式。北京理工大學的陳澤宇、張承寧[18]等對這典型的三種轉向方式進行了運動學和動力學分析，對三種方式的轉向半徑的變化規律和內外側履帶功率需求進行了對比研究；并運用Matlab/Simulin平臺進行了仿真。從運動特性和功率需求兩大方面綜合分析出，在無其他特殊要求下，采用內側降速式最為合理。如表1如示。

表1 三種轉向方式的對比分析

文獻[19]在考慮了履帶寬度和滑轉、滑移等影響因素下，建立了四履帶車輛穩態轉向數學模型，并采用阻尼牛頓法對該模型進行了數值求解，分析了履帶接地瞬心的偏移、履帶接地長度和履帶寬度等結構參數對穩態轉向特性的影響，內外側驅動力與轉向半徑的變化規律。同時借助RecurDyn軟件對該四履帶車輛進行了轉向仿真，將理論值與仿真結果進行對比分析，吻合較好。對該四履帶車輛的轉向性能研究方法和結論對一般四履帶機械的轉向性能研究具有可參考意義。

文獻[20]基于RecurDyn軟件建立了高速履帶車輛多體動力學模型和路面模型，對履帶車輛在軟硬路況的高速轉向過程進行動力學仿真和分析，主要考慮了履帶預張緊力、轉向半徑和路面工況對轉向特性的影響。

上海汽車集團的魯連軍[21]等采用MATLAB/SIMULINK軟件對電傳動履帶車輛的轉向型進行研究。文獻中建立了新的電傳動履帶車輛模型，對電傳動履帶車輛轉向行駛特性進行分析，以鼠籠式異步電機模型和經典矢量控制方法為例，建立了車輛轉向行駛仿真模型，分別按獨立式、差速式兩種方案對其轉向行駛性能進行仿真分析。也有研究建立動力學分析軟件和MATLAB/SIMULINK的聯合仿真平臺對其轉向進行多工況協同仿真，結果表明，不同轉向工況對電機輸出特性要求不同，瞬態工況較易受轉向角速度變化率影響，穩態轉向很大程度上取決于轉向半徑[22]。

隨著對消防要求和應急性的提高，對于狹窄巷道的救援搶險要求省時便捷，于是催生了雙頭消防車的出現。具有獨特的雙駕駛室和四輪轉向系統，無需掉頭倒車轉彎、省時便捷，特別適合于狹窄街巷隧道事故救援。

2.4.3 平順性

履帶行走裝置的平順性是以搭載平臺處的行駛時的振動性作為評價指標。行駛時的振動主要來自于三個方面：一是地面不平度激勵對整體產生的振動，其頻率范圍在0-150Hz左右；二是電機工作產生的頻率振動；三是行走裝置運動部件內部碰撞、摩擦產生的振動。在進行仿真分析時以整機垂直方向的加速度為指標進行分析[17]。

當前對履帶式車體機動性能的的研究主要是者各方面。其研究方法一般是通過理論分析、借助軟件（ADAMS、RecurDyn、MaTLaB/SiMuLink）進行仿真或是對樣機或實物進行試驗驗證。進行試驗的可進行三種性能的分析，進行計算機仿真的一般只能分析轉向性和平順性，對于越障性能需要專業的履帶模塊或在動力學仿真軟件中進行履帶建模，而這需要用到宏命令也只能進行一些簡單的建模，對于復雜的履帶也無法進行。

3 存在問題

機器人的行走系統發展到現在，已經取得了很大的進步。對于消防機器人而言，由于其特殊性一般多選擇履帶式行走系統。但目前也存在一些問題：（1）結構過于復雜，質量過大。（2）機動性能不足，越障能力不理想，轉向不靈活，平順性有待提高。（3）成本過高，維護較難。

4 結束語

履帶式行走系統更加適合于消防機器人的工作和性能要求。進一步提高履帶式行走系統的機動性能、優化結構設計可提高履帶式消防機器人的整體性能。依據行走系統的發展趨勢，可嘗試將輪、履、腿式行走系統應用于消防機器人。

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作者簡介：樂治后（1989-），男，武漢大學動力與機械學院機械工程專業，研究方向：機械設計理論與方法。