可變形履帶式自動巡檢消防機器人設計與性能分析

祁宇明，謝 兵，鄧三鵬，林丙好

（天津職業技術師范大學機器人及智能裝備研究所，天津30222）

0 引言

根據我國消防救援局調查的數據分析知[1]，在2007-2016年之間有228.2萬起的火災被登記在案，造成15124人死亡、9561人受傷，已經核實的財產損失高達284億元，造成474起大型火災事件?；馂氖鹿拾l生一方面是由于企業自身監管不到位、消防設施不全、無人排查安全隱患；另一方面是企業缺少一套完成的消防預警和處理流程。針對此種情況，消防、巡檢功能一體化的機器人已經逐步成為消防領域的又一發展方向，自動巡檢消防移動機器人輔助企業開展消防排查，代替或者減輕工人的勞動強度，能在火災初期進行安全、快速、有效地進行滅火的一款消防裝備。國內外在救火機器人的研究上持續穩定發展，日本目前最為先進的是“消防龍”（Dragon Firefighter）滅火機器人[1，2]，如圖 1 所示。它的形狀類似于一條蛇形，移動橫向移動范圍大約1.5 m左右，利用自身的紅外鏡頭和光學鏡頭，找到火源并進行撲滅。

圖1 “消防龍”使用場景

德國的甲蟲 OLE（Off-road Loescheinhei）消防機器人[3]，如圖2所示。它能利用裝帶的水箱和滅火劑執行滅火人任務，并且具有自我保護功能。當靠近火源時，會自動規劃路線，及時避開。

圖2 OLE消防機器人

國內中信集團研發的防暴消防滅火偵查機器人[2]，如圖3所示。該機器人集防爆，自動控制，網絡和通訊，傳感器等技術于一體，實現了圖像和語音識別、無線通信和遠程控制等一系列功能。

圖3 中信研發的防暴消防滅火偵查機器人

研究開發基于小型化用于巡檢、撲滅中小型火災、性價比高的消防機器人在當今社會尤為重要。

1 總體設計方案

攜帶消防設備的自動巡檢消防移動機器人可以實現復雜環境避障、爬坡、跨越溝槽、爬樓梯等自動巡檢，同時向總控制部門發出安全警報。該機器人在整體質量、尺寸、速度、工作時間、運動控制等方面需要表 1 性能指標[5，6，7]。

表1 自動巡檢消防移動機器人主要技術指標

該機器人包括：行走系統、消防機械臂系統、滅火系統、電源系統、控制臺及通訊系統等，總體設計方案示意圖見圖4。

圖4 機械總體設計方案示意圖

2 行走機構設計

為保證自動巡檢消防移動機器人可以正常工作在各種復雜的環境下，因此，要求機器人具有一定的越障能力。

2.1 履帶支撐結構設計

履帶支撐結構承載著機器人的整個機體，需要驅動機器人進行直線和轉彎簡單運動，進行越障、爬坡、爬樓梯等多種復雜的運動。本文設計的履帶支撐結構主要包括履帶、主動輪、從動輪、減震器、支撐架、伸縮桿（L）、伸縮桿（R）、伸縮套等，如圖 5所示。

圖5 履帶支撐結構

履帶支撐架的末端裝有兩個滾動軸承，兩個滾動軸承之間裝有履帶從動輪。支撐架的中部開有一直徑8 mm的孔，通過8 mm銷釘連接履帶減震器。該減震器形同于山地自行車前減震器的機構，使履帶支撐架在一定范圍能夠承受機器人下墜的震動，保證機器人整體運行不受影響。減震器的阻尼比可以通過更換內部的彈簧來調節，以便在使用不同的履帶時適應不同的減震需求，防止震動太大導致履帶脫離履帶輪的情況發生。履帶減震器末端裝有兩個滾動軸承，兩個滾動軸承之間裝有履帶從動輪。在兩個履帶從動輪之間有一個如圖5所示的履帶伸縮桿機構。該機構由伸縮桿（L）、伸縮桿（R）和伸縮套構成。伸縮桿（L）一端連接在減震器外部，和連接減震器的履帶從動輪是同軸；另外一端為M30×3.5-LH-5g6g-L的螺紋。伸縮桿（R）一端連接在履帶支撐桿外端，與連接履帶支撐桿的履帶從動輪同軸；另外一端為M30×3.5-5g6g-L的螺紋。在螺紋軸之間有一個可以與之相旋合的伸縮套。該零件外直徑為50 mm，長度為80 mm，內部有與螺紋軸配合的內螺紋，兩頭分別是左旋和右旋，套筒的外表面開有8個均勻分布標準內六角槽。裝配在兩個螺紋軸之間放入彈簧，提供預緊力。使用外六角扳手扳動套筒旋轉可以使伸縮桿（L）和伸縮桿（R）之間的直線距離縮短或者加大，從而調節整個履帶機構的周長，使履帶機構可以配合更多不同種類的履帶，還可以進行履帶的快速更換，大大提高了機器人的使用范圍。

通過外短軸的旋轉來帶動履帶支撐架進行旋轉，從而帶動整個履帶機構可以在一定幅度內的旋轉運動。當履帶機構旋轉到兩個履帶從動輪間的履帶接觸地面時，機器人底盤相對于未旋轉之前將會大大升高，有利于機器人實現越障、爬坡、上樓梯等功能。

2.2 履帶選型

根據履帶設計準則，知道履帶節距與整體質量有以下對應關系：

式中：t0為履帶節距，mm；m為機器人整體質量，m=200 kg。

根據公式（1）得出，t0=49.8 mm，根據機器人使用場合參考廠家履帶型號，選用型號為ZRT-100 B消防、反恐機器人橡膠履帶，取t0=58.5 mm。

2.3 驅動功率計算

按照力學相關知識和機器人主要技術參數，該機器人在平地上加速運動受力情況如圖6所示。

圖6 平地上加速運動受力情況

根據受力分析以及機構平衡條件，在驅動力矩Mk和履帶牽引力Fk之間存在以下關系：

式中：Fk為牽引力；MK為驅動力矩；Mr為機構內摩擦力矩；R為驅動輪半徑，R=70 mm。

Mr是因為機構中的軸承、履帶相接觸后產生力矩。Mk形成牽引力的時需要克服內部摩擦，主要的摩擦力如下：

（1）履帶驅動輪和軸承之間的摩擦力Ff1：

式中：Ff1為驅動輪和軸承之間的摩擦力（N）；μ1為履帶嚙合時摩擦系數，查表μ1=0.06；Mr為機構內摩擦力矩（N·m）；Z 為驅動輪嚙合齒數，Z=14；F0履帶預緊力（N）；Fk為履帶牽引力（N）。

其中履帶預緊力F0和履帶牽引力Fk分別為：

式中：m為機器人總質量，m=200 kg；g為重力加速度，取g=9.8 N/kg；Fα為慣性力；α為加速度，α=0.5 m/s2；FR為土壤阻力（N）；Fb為啟動力阻力（N）。

其中慣性力Fα和啟動力阻力Fb為：

式中：λ為土地土壤參數，λ=0.01；v為機器人運動速度，v=2.5 m/s。

（2）履帶上部從動輪和軸承之間的摩擦力Ff2：

式中：Ff2為上從部動輪和軸承之間的摩擦力；μ2為滾動球軸承滑動摩擦系數，查機械設計手冊μ2=0.02；φ 為履帶與水平面夾角，φ =27.94°；Fn1為驅動輪支持力（N）。

（3）履帶底部從動輪和軸承之間的摩擦力Ff3，力矩：

式中：Fn為從動輪支持力，N；Mf3為從動輪和軸承之間的摩擦力矩（N·m）；r1為從動輪半徑，r1=45 mm。

（4）履帶導向從動輪和軸承之間的摩擦力Ff4：

式中：Mf4為導向從動輪和軸承之間的摩擦力矩（N·m）；φ 為履帶與水平面夾角，φ =27.94 °；r2為從動輪半徑，r1=45 mm。

整理公式，可得

帶入數值計算后可得，驅動輪Mk=28.75 N·m，單個驅動輪Mk=14.38 N·m。

2.4 斜面上加速運動受力分析

根據相關力學知識以及技術指標[6]，該機器人在α=30°的斜面上加速運動受力情況如圖7所示。

根據受力分析以及機構平衡條件，可得履帶牽引力 Fk：

式中：α 為斜面角度，α =30°；Fα為慣性力；FR為土壤阻力；Fb為啟動力阻力。

2.5 傳動機構設計

直流伺服電機通過減速器降低轉速、增加扭矩，通過齒輪或帶傳動將動力輸出到輸出軸上，從而帶動驅動輪。為了使消防機器人在平坦的地面上快速到達起火地點，在穿越障礙物、爬坡、越障和執行自動巡檢任務時需要輸出低速、高扭矩。通常設計方式是：每個履帶機構的驅動以及履帶機構整體的旋轉運動都由單獨的電機來控制。這種設計結構可以讓每條履帶具有不同的線速度、每個履帶機構都可以獨立旋轉。如圖8所示。

圖8 傳動機構簡圖

3 機器人相關性能分析

3.1 機器人爬樓梯過程分析

如圖9所示，機器人爬樓梯過程：

（1）機器人在水平地面上移動時，前后履帶機構最大面緊貼地面，履帶機構和機身都保持水平狀態。

（2）當機器人接近第一級樓梯時，前履帶機構順時針旋轉抬起到高于第一級樓梯的位置，在驅動輪的驅動下，前履帶機構的履帶在樓梯邊緣上。

（3）機器人繼續移動，前履帶機構隨著機器人的移動變化角度，使整個履帶機構都靠在樓梯上。后履帶機構順時針旋轉，靠機電扭矩使機器人本體向上抬起。

（4）機器人繼續移動，后履帶機構靠上第一級樓梯，機身傾斜角度隨著履帶的移動而逐漸接近樓梯坡度。

圖9 機器人爬樓梯過程分析

3.2 機器人跨越溝槽分析

機器人的重心會隨著機器人的跨越溝槽運動而不斷向前運動。機器人跨越溝槽的運動示意圖如圖10所示，按機器人重心相對于溝槽的不同位置，可分為以下幾種情況：

（1）當重心未跨越溝槽時，機器人可以正常行駛。

（2）當重心接近溝槽的邊緣時，機器人就可能會因為重心不穩而出現向前翻到的趨勢，進而摔入溝槽，發生事故。

（3）當重心完全跨越過溝槽時，機器人可以安全跨越。

圖10 跨越溝槽示意圖

根據機器人跨越溝槽示意圖得

式中：L為履帶驅動輪與重心之間的距離；r為履帶重心變化范圍的半徑；h為重心垂直高度；α為斜面角度，αmax=30°；帶入數值計算得，Lmax=500 mm。

4 結論

（1）設計使履帶移動和履帶機構轉動互不干涉的履帶機構，選擇適合消防要求的履帶。進行履帶機構在不同運動過程中受力分析，使機器人滿足復雜地形的技術要求。確定履帶行走系統的傳動機構，對傳動部件進行簡化。

（2）對機器人直線運動、轉向運動、爬坡運動、爬樓梯過程、跨越溝槽等復合運動進行分析。