基于Adams的森林防火機器人履帶平臺設計與動力學仿真

劉澤新，王希貴，林文樹

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著經濟和技術不斷發展，人類所涉足的作業環境也在不斷地增加，其中很多高危作業環境，如野外探索、煤礦監測運輸、核工業及林火防護等。在這些高危的作業環境下，亟需發展特種機器人來代替人類進行相關工作[1-2]。目前森林火災作為嚴重的自然災害和突發性的公共危險事件，具有解決困難、發生突然和起勢極快等特點。并且森林防火及其檢測難度都較大，單靠人力檢測與防治難度大、成本高、勞動強度高和風險大。因此，提高和發展現代森林消防實力及裝備是非常緊迫和必要的[3-4]。

針對目前的林業消防機械和困難地形的行走問題，徐振亞等[5]、朱亞榮[6]、宋倩[7]研究了六足仿生機器人，使其可以進行余火探查問題；馬巖等[8]研究的履帶式風力滅火機行走機構，改進了履帶結構，可實現復雜地面上的行走。劉少剛等[9]研究的可變形履帶通過橢圓形成原理獲得了更好的張緊效果，提高了翻越障礙的能力。孫英暖等[10]、孟廣耀等[11]通過引入液壓可伸縮式后擺臂，設計出液壓擺臂履帶變形機器人，提高了履帶張緊能力和越障能力。朱巖等[12]研究的履帶可變形機器人，通過對轉臂進行較大幅度的調節提高了越障能力。賈海東等[13]研究的輪履復合巡檢機器人具有輪式和履帶2種模式，可以實現在礦井復雜地面環境下的設備巡檢工作。李智卿等[14]開發的輪履復合變形移動機器人結合輪式和履帶式的運動優點可以適應復雜路面的運動。孫鵬等[15]研制的輪履復合式機器人通過輕量化、模塊化設計，保證了設備的快速裝配和維修。李允旺等[16]從運動學的角度分析了四履帶雙擺臂機器人的越障性能，推導出最佳的越障性能及對應的擺臂位置。布升強等[17]設計出一種自適應的蟻群算法，提高了森林防火機器人在軌跡搜尋上的速度和準確度。日本的Ito等[18]研究的串聯多履帶機器人，通過多節履帶仿照蛇的運動方式進行越障。Kamezaki等[19]研究的四臂四履帶式機器人通過4個履帶臂提高爬樓梯的穩定性，并應用于災難后的救援工作。

綜合國內外的研究情況，目前的森林監測的自動化機器人主要是足式機器人的研究，雖然足式機器人適應地形能力高，越障能力強，但是其造價成本高，搭載能力不強。履帶式機器人雖然越障能力上稍遜于足式機器人，但對于工作環境要求不高，負載性能好，更加適用林區環境。可變形履帶相較于普通履帶有更好的張緊效果，且履帶的變形和輔助機構的添加可以得到更好的越障效果。但可變形履帶目前多用于城市救援中的越障研究，未進行在林區中應用的相關研究，將其應用于林區消防領域有助于提高森林防火機器人在森林中行進速度和越障能力。因此本文針對人工林以及森林公園等地形不是非常復雜的環境，提出將可變形履帶應用于森林消防機器人，從而實現機器人在森林火災監測時更好地行進。

1 森林防火機器人履帶平臺結構設計

1.1 整體結構設計

本研究主要是針對森林防火機器人的履帶平臺為研究對象，機器人的控制裝置不做詳細的介紹。履帶平臺主要由輔助履帶、主動輪、平臺主體、搭載配件、輔助變形輪、從動輪、減震輪和主履帶組成；通過平臺主體中的控制器實現對履帶在越障時的各種變形；為了減少履帶運行時的阻力，增加張緊力，履帶選用后置驅動；保證輔助變形輪不出現在履帶內轉動卡死的情況，在安裝電力推桿的同時加裝彈簧阻尼，并在擺桿上加裝驅動電機；同時為減輕履帶行進時的振動，履帶平臺采用了一種阻尼彈簧結構的減震輪。履帶平臺結構外觀如圖1所示，其相關的主要參數見表1。

注：1-輔助輪；2-主動輪；3-平臺主體；4-搭載配件；5-從動輪；6-輔助變形輪；7-減震輪；8-主履帶。

表1 森林防火履帶平臺主要參數

1.2 工作原理

本文的可變形履帶采用橢圓形成原理構成，通過輔助變形輪的變形實現平臺越障時更好地增加與地面的接觸面，提高了運動的穩定性，增強了越障能力，其原理如圖2所示。

圖2 結構原理圖

在圖2中，F1、F2為橢圓的焦點，P1為橢圓軌跡上的可移動點，通過橢圓的規律可知P1F1+P1F2=2a，并且在F1、F2確定時，三角形F1P1F2的周長為常數。故根據此原理，本機器人履帶在F1、F2位置分別安放從動輪和主動輪，并在沿橢圓軌跡上的位置P1安放行星輪，行星輪通過安裝于OP1之間的液壓桿伸縮使行星輪在橢圓軌跡上運動，履帶的長度近似為此橢圓軌跡內構成的三角形F1P1F2的周長，且因為履帶具有一定彈性，可相當于長度基本不變。通過液壓桿的連續伸縮驅動OP1臂轉動，以達到所能實現的結構變換效果。

2 森林防火機器人履帶平臺越障機理分析

由于林區地形復雜，越障的種類及分布也十分復雜，因此，越障能力的高低是該履帶平臺能否適用于林區的重要性能指標。林區地形是由自然形成的地勢起伏和坑洼，以及人工建成的溝道和階梯等。本文設計的機器人主要應用于人工林與森林公園的地形，為方便分析與仿真將障礙地形進行簡化，通過較為簡單的模型對越障能力進行分析。

2.1 攀爬階梯分析

履帶平臺攀爬階梯的過程如圖3所示，其整個過程可主要分為3個階段:第1階段(a)—第2階段(b)為前履帶接觸階段；第3階段(c)—第4階段(d)為輔助履帶支撐階段；第5階段(e)—第6階段(f)為攀爬完成階段。

通過圖3可知，整個森林防火機器人履帶平臺通過前方的液壓伸縮桿和后方的輔助履帶輪進行調節，改變整個平臺裝置質心的位姿，以保證其可以翻越一定高度的階梯。下面對本履帶平臺能攀爬的最大高度進行分析計算。

圖3 履帶平臺攀爬高地過程圖

通過建立以F1為坐標原點，以F1F2方向的直線為X0軸的直角坐標系X0F1Y0，可以計算整個履帶平臺的質心G0的位姿，其坐標系如圖4所示。

森林防火機器人履帶平臺的質心G0位置為：

(1)

式中：m1、m2、m3分別為履帶平臺主體部分質量、變形主臂部分質量、輔助履帶的質量；L2為坐標系X0F1Y0質心G2距O的距離；L3為質心G3距F1的距離；L4為坐標系X0F1Y0中OF1的長度；G1、G2、G3分別為履帶平臺主體部分質心、變形主臂部分質心和輔助履帶部分質心；G1(x1,y1)為履帶主體部分質心坐標。

根據圖4的幾何關系可知凸起障礙的高度為：

(2)

式中：H為凸起障礙的高度；θ、α、β分別為圖4上的角度；R為履帶輪半徑。

對公式(2)進行求關于β的二階偏導值：

(3)

圖4 森林防火機器人履帶平臺質心分布圖

2.2 翻越溝壑分析

本森林防火機器人履帶平臺翻越溝壑成功與否，主要依據是其重心的垂線是否越過溝壑邊界。其翻越過程如圖5所示，整個過程可分為3個階段：第1階段(a)—第2階段(b)為履帶行進階段；第3階段(c)—第4階段(d)為前履帶支撐階段；第5階段(e)—第6階段(f)為輔助履帶翻越階段。

通過圖5可知，整個森林防火機器人履帶平臺通過前方的液壓伸縮桿和后方的輔助履帶輪的調節改變整個平臺裝置質心的位姿，以保證可以跨越一定距離的溝壑。下面對本行進裝置能翻越的最大溝壑距離進行分析計算。

當履帶平臺達到圖5中(b)位置時，可能出現2種情況。

圖5 履帶平臺翻越溝壑過程圖

(1)履帶平臺質心達到溝壑左邊緣，而前段履帶接觸到溝壑右邊緣。此時履帶平臺會出現圖6的臨界狀態，履帶平臺總質心在左溝壑邊緣的延長線上。

由圖6可知，履帶平臺可跨越的最大距離為：

圖6 質心翻越溝壑位置

Lmax=L1-R-XG0min。

(4)

當α=0°，θ→π時，履帶平臺的總質心達到該位置時的水平位置最小，并根據公式(1)可得：

(5)

將公式(5)代入公式(4)可得：

(6)

(2)履帶平臺在總質心未越過左邊緣且剛要越過時，前段從動輪部分已掉到右側溝壑中，其情況如圖7所示。

圖7 質心未跨過溝壑

由圖7可知，可計算出此時的溝壑長度為：

(7)

通過公式(7)可知履帶平臺的溝壑極限長度為：

(8)

當α=π，θ→0°時，履帶平臺的總質心達到該位置時的水平位置最大，代入公式(1)可得：

(9)

將公式(9)代入到公式(8)可得：

(10)

把表1相關參數代入公式(10)，可得到可跨越最大寬度Lmax=256.678 mm。實際的跨越過程中質心移動和計算會有一定的誤差，所以要在后續仿真中進行驗證。

3 森林防火機器人履帶平臺運動學仿真分析

3.1 建立仿真虛擬樣機分析平臺

在Solidworks中對整個森林防火機器人履帶平臺進行三維建模，完成對于整個履帶平臺的整體設計。并進一步通過保存為IGS(Initial graphics exchange specification)中性文件，將裝配圖導入到Adams(Automatic dynamic analysis of mechanical systems)中。在保證整個模型的運動過程和相關重要參數不變的前提下，為加快運算速度對模型進行一定的簡化，將模型的螺栓、軸承及相關的零部件進行刪除，并將其所在部位進行處理。其簡化后的模型如圖8所示。

圖8 森林防火機器人履帶平臺簡化模型

模型導入Adams后，先添加重力以及各個零部件的相關質量屬性，并為了更好地模擬該森林防火機器人履帶平臺在搭載設備時的狀況，將車主體部分質量定義為120 kg。之后對模型添加固定副、旋轉副、接觸約束和耦合副，因為履帶為柔性體，若將履帶模型導入Adams中會使整個約束過程非常繁瑣，并且一旦有任意約束出現錯誤都會影響仿真結果，所以本文最終選擇圖8的簡化模型來進行仿真，并通過耦合副的方式達到履帶傳動的效果。對履帶進行簡化仿真主要因為通過其前變形輪和后輔助輪的支撐和變化實現，對履帶影響不大，所以可以近似實現履帶運行效果。

3.2 仿真分析

為了進一步驗證履帶平臺在林區復雜地面上的越障能力，根據理論計算的結果結合林區的實際工作環境，建立出溝壑和高地臺階模型，通過Adams進行越障的仿真驗證，并計算所需的力矩。

3.2.1 攀爬高地仿真分析

參考實際的森林作業環境多為不平的土坡，為方便仿真將其簡化為臺階，設置高度為200 mm的單臺階進行仿真，并添加驅動力矩，利用STEP函數對履帶平臺的攀爬各階段的變形進行控制，主要分為3個階段：一為前方輔助變形輪的垂直位置與臺階接觸時，輔助變形輪在輔助伸縮桿的作用下順時針擺動，使履帶抬起一定角度，并且后部輔助履帶跟著保持其位置；二是當前從動輪接觸臺階面后，輔助變形輪在輔助伸縮桿的作用下逆時針擺動使前從動輪著地；最后是當整體總質心達到臺階邊緣處時，后輔助履帶逆時針轉動將后主動輪撐起。通過這3個階段的履帶變化實現整個平臺的攀爬過程。其仿真過程如圖9所示。

圖9 攀爬時履帶平臺仿真過程圖

由圖9可知，森林防火機器人履帶平臺可以成功攀爬200 mm的階梯，將仿真結果進行數據處理后可以得到履帶平臺在攀爬過程中其前履帶伸縮桿和后方輔助履帶的驅動力變化情況，如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11可知，履帶平臺在載重120 kg的情況下，其要翻越高地前履帶伸縮桿需要大約450 N·m的力矩，后方輔助履帶需要大約270 N·m的力矩。履帶平臺所需驅動力矩小于電機所能提供的最大力矩，滿足實際要求。

圖10 攀爬時前履帶伸縮桿的驅動力矩

圖11 攀爬時后方輔助履帶的驅動力矩

在攀爬高地時，其重心的穩定性也直接影響履帶平臺的行進和防火作業，在設計時要使其重心的變化更小。本履帶平臺在行進時除在攀爬的特殊階段內有小幅度的重心抬高外，基本保持重心的穩定，為有效地緩解該履帶平臺重心迅速抬高的問題，本文在實際模型中采用了阻尼彈簧減重輪，通過彈簧阻尼的減震作用可有效地促進重心的下降穩定。

3.2.2 跨越溝壑仿真分析

參照森林環境和上文計算的最大跨越溝壑寬度，設置255 mm的溝壑，添加驅動力矩并利用STEP函數對履帶平臺的跨越過程進行運動控制，其跨越溝壑的過程如圖12所示。

圖12 跨越時履帶平臺仿真過程圖

由圖12可知，本研究所設計的森林防火機器人履帶平臺可以成功跨越255 mm的溝壑，對其仿真結果進行后處理，可以得到履帶平臺在跨越過程中其前履帶伸縮桿驅動力變化情況，如圖13所示。

由圖13可知，履帶平臺在載重120 kg的情況下，其要跨越溝壑前履帶伸縮桿需要大約1 300 N·m的力矩驅動。履帶平臺所需驅動力矩小于電機所能提供的最大力矩，滿足實際要求。

圖13 跨越時前履帶伸縮桿的驅動力矩

4 結論

本文研究的森林防火機器人履帶平臺具有較強的地形適應能力和越障能力，通過仿真與數學計算結果進行對比驗證，并得到了以下結論。

(1)通過應用橢圓形成原理解決了履帶不能連續性張緊的問題，并結合履帶擺臂研究出了一種可以應用于林區防火的可變形履帶式機器人平臺。

(2)建立了履帶平臺攀爬高地和跨越溝壑的動力學模型，通過運動過程中的幾何關系計算出了履帶平臺可以達到的最大攀爬高度和最大翻越寬度。

(3)通過Adams進行越障的動力學仿真，驗證了在林區常見高度坡地上和最寬溝壑的通過性。并分析了運動過程中的驅動力矩，確保了電機選擇的合理性，驗證了履帶平臺的越障性能。