隧道救援用履帶式機(jī)器人設(shè)計(jì)及越障性能分析

陳 亮，石 勝，趙仁佳，陶衛(wèi)軍

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

0 引言

履帶式移動機(jī)器人具有高性價(jià)比、可適應(yīng)各種復(fù)雜的地形、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在反恐防爆、消防救援、危險(xiǎn)環(huán)境偵察勘探等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[1-4]。隧道救援機(jī)器人是一種能夠代替救援人員進(jìn)入復(fù)雜危險(xiǎn)的隧道對災(zāi)后現(xiàn)場進(jìn)行探測、搜索和救援的機(jī)器人。目前，國內(nèi)外主流的履帶式救援機(jī)器人可分為雙履帶移動機(jī)器人、四履帶機(jī)器人和六履帶機(jī)器人[5-6]。其中，比較典型的Warrior四履帶機(jī)器人可以攀越臺階、樓梯等多種復(fù)雜地形，適用于城市建筑物中的垃圾清掃或?yàn)?zāi)后廢墟清理等作業(yè)[3]。基于仿生學(xué)的KOHGA與SOURYU救援機(jī)器人[7-9]屬于多節(jié)履帶式移動機(jī)器人，能夠翻越較大的障礙物，具有較好的多地形適應(yīng)性和越障穩(wěn)定性。中國礦業(yè)大學(xué)研制的CUMT系列的救援機(jī)器人[10-14]屬于六履帶機(jī)器人，能夠翻越20 cm的障礙物。由于現(xiàn)有的救援機(jī)器人具有較大的空間體積與質(zhì)量，考慮到隧道地面的復(fù)雜性與惡劣的野外施工環(huán)境，有必要開發(fā)小型化、智能化的隧道救援機(jī)器人，使其具有便于搬運(yùn)、結(jié)構(gòu)緊湊和越障性能好等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)一種具有雙擺臂結(jié)構(gòu)的輕便型隧道救援用履帶式機(jī)器人，可以搭載攝像頭和一些生存物資進(jìn)行人員搜救、物質(zhì)補(bǔ)給與環(huán)境偵察等工作。

1 隧道救援用履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 功能與性能指標(biāo)

隧道救援機(jī)器人在復(fù)雜的隧道環(huán)境中作業(yè)，需要保證運(yùn)動平穩(wěn)性、越障能力和載重能力，采用雙擺臂履帶式行走結(jié)構(gòu)能滿足這一需求。此外，在機(jī)器人底盤上安裝救援箱體，為被困人員提供基本的救援用物資；在機(jī)器人的前部安裝高清攝像頭與激光雷達(dá)來實(shí)時觀察隧道內(nèi)的情況并及時避障，同時安裝一對照明設(shè)備，為攝像頭提供光源；在機(jī)器人后端安裝無線傳輸設(shè)備，用來與遠(yuǎn)程控制端通信；內(nèi)部采用4個直流伺服電動機(jī)來提供動力。其總體布局如圖1所示，外觀圖如圖2所示。其主要性能指標(biāo)如下：總質(zhì)量50～60 kg；載重能力不小于20 kg；平地運(yùn)動速度≥0.2 m/s；越障高度≥250 mm；加速度≥0.2 m/s2。

圖1 隧道救援用履帶式機(jī)器人總體布局

圖2 隧道救援用履帶式機(jī)器人外觀圖

1.2 底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人底盤傳動系統(tǒng)主要由履帶、驅(qū)動輪、從動輪和張緊輪構(gòu)成，擺臂系統(tǒng)由擺動輪、擺桿與擺臂履帶構(gòu)成。兩側(cè)驅(qū)動輪分別由對應(yīng)的直流伺服電動機(jī)配合減速器進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動，通過控制速度實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等運(yùn)動功能。在驅(qū)動輪和從動輪之間設(shè)置2組張緊輪來壓緊履帶，起到增強(qiáng)運(yùn)動能力和緩沖載荷的作用。驅(qū)動輪或從動輪在轉(zhuǎn)動的同時，會帶動擺臂上的履帶運(yùn)動；而擺臂擺動則由2個電動推桿的伸縮運(yùn)動來分別驅(qū)動2個擺桿轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)。底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 隧道救援用履帶式機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)示意圖

隧道救援用履帶式機(jī)器人底盤整體外形尺寸為長722 mm、寬660 mm和高152 mm。驅(qū)動輪與從動輪的中心距為460 mm。擺動輪與擺臂回轉(zhuǎn)中心的中心距為350 mm，擺臂可以實(shí)現(xiàn)相對水平位置-45°～45°范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動，在越障時可使得擺臂搭在障礙物上從而在驅(qū)動輪輸出轉(zhuǎn)矩作用下翻越障礙物。

2 隧道救援用履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

隧道救援用履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤運(yùn)動控制和對周圍環(huán)境的感知，其硬件構(gòu)成如圖4所示。采用高性能工控機(jī)A作為主控制器，通過CAN總線控制2個直流伺服驅(qū)動器來控制底盤的2個400 W直流伺服電動機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的速度控制與運(yùn)動控制。通過RS232串口發(fā)送指令給單片機(jī)，控制與之相連的繼電器來控制2個電動推桿的直流無刷電動機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)2個擺臂的轉(zhuǎn)動功能。同時，通過單片機(jī)來獲取由光電開關(guān)檢測的擺角極限位置情況，并由RS232串口發(fā)送到工控機(jī)A。通過慣性測量單元（inertial measurement unit，IMU）來獲取機(jī)器人的位姿狀態(tài)，并用所搭載的激光雷達(dá)與雙光譜MINI云臺攝像機(jī)分別實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障與環(huán)境監(jiān)測。工控機(jī)A與遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)的工控機(jī)B之間通過機(jī)器人搭載的車載無線AP與遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)連接的無線基站進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通信，進(jìn)行機(jī)器人指令、狀態(tài)以及視頻傳輸。其中，激光雷達(dá)直接與工控機(jī)A的網(wǎng)口連接，為機(jī)器人避障提供數(shù)據(jù)信息。而雙光譜MINI云臺攝像機(jī)則作為一個獨(dú)立設(shè)備直接與車載無線AP的網(wǎng)口連接，直接將視頻信息由車載無線AP發(fā)出，通過遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)中的無線基站接收并傳送到工控機(jī)B。工控機(jī)B上連接鍵盤、鼠標(biāo)和搖桿等人機(jī)交互設(shè)備，用于遠(yuǎn)程遙控與操作機(jī)器人。

圖4 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

隧道救援用履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)采用機(jī)器人操作系統(tǒng)（robot operating system，ROS）。ROS是一個分布式的進(jìn)程框架，由多個獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)組成，其他節(jié)點(diǎn)運(yùn)行錯誤不會對本節(jié)點(diǎn)造成災(zāi)難性的破壞。因此，此系統(tǒng)適合用于構(gòu)建多進(jìn)程分布式應(yīng)用軟件框架。為滿足節(jié)點(diǎn)之間的高效通信，ROS采用了一種發(fā)布和訂閱消息的通信機(jī)制。機(jī)器人本體的軟件結(jié)構(gòu)是由5個節(jié)點(diǎn)和2個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。5個節(jié)點(diǎn)分別為底盤控制節(jié)點(diǎn)、里程計(jì)節(jié)點(diǎn)、IMU節(jié)點(diǎn)、三維激光雷達(dá)節(jié)點(diǎn)和攝像機(jī)節(jié)點(diǎn)，2個系統(tǒng)分別為同步定位與建圖（simultaneous localization and mapping，SLAM）系統(tǒng)和自主探索導(dǎo)航系統(tǒng)，它們都是通過ROS控制進(jìn)行管理。控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成

3 機(jī)器人越障過程分析與動力學(xué)建模

3.1 越障過程分析

采用常用的臺階作為障礙物，主要對機(jī)器人爬上臺階的過程進(jìn)行分析，可用如圖6所示的簡圖表示，整個越障過程可以分為以下2個階段：

（1）機(jī)器人前擺臂首先接觸到臺階尖角，在驅(qū)動輪的推動與擺臂處支持力、摩擦力的共同作用下，擺臂轉(zhuǎn)動并帶動機(jī)器人前端持續(xù)抬起，如圖6（a）～（c）所示。

（2）當(dāng)機(jī)器人主履帶接觸到臺階尖角后，在驅(qū)動輪的推動下，機(jī)器人開始向上攀爬，直到機(jī)器人爬上臺階，如圖6（d）～（f）所示。

圖6 機(jī)器人越障過程簡圖

3.2 機(jī)器人越障的動力學(xué)建模

履帶式移動機(jī)器人的動力學(xué)問題研究相對復(fù)雜。在對其建模之前，先進(jìn)行一系列簡化假設(shè)[15]：

（1）機(jī)器人整體對稱，質(zhì)量集中在底盤部分，分析時機(jī)器人的中心不發(fā)生變化；

（2）機(jī)器人在爬越臺階的過程中所有接觸為純滾動，無相對滑動，約束力理想化；

（3）地面是剛性的，不考慮內(nèi)部零件之間的摩擦。

如圖6所示，機(jī)器人爬上臺階的過程可分為2個階段，包括前擺臂越障階段與主履帶越障階段。

（1）前擺臂越障階段。

當(dāng)機(jī)器人前擺臂履帶接觸到臺階尖角時，主要依靠驅(qū)動輪推力與臺階尖角處的支持力的共同作用使得機(jī)器人向上爬升，此階段的動力學(xué)模型如圖7所示。

圖7 前擺臂越障階段動力學(xué)模型

設(shè)XOY為世界坐標(biāo)系，在機(jī)器人車體主履帶驅(qū)動輪中心建立相對坐標(biāo)系xo1y，設(shè)固定在機(jī)器人上的相對坐標(biāo)xo1y在固定坐標(biāo)系中有沿X軸正向的牽連加速度ax，在Y軸方向牽連加速度為0，機(jī)器人底盤驅(qū)動輪和從動輪的連線與坐標(biāo)系xo1y的x軸正方向的夾角為θ。θ1表示質(zhì)心O0和驅(qū)動輪中心O1連線與x軸正方向的夾角；θ2為一個定值45°；θ3表示前擺臂和臺階的夾角，θ3=θ2+θ。m0為機(jī)器人的車體質(zhì)量，前后擺臂的質(zhì)量為m1。h為臺階的高度。車體前后帶輪的軸距為L0，擺臂大小輪的軸距為L1，（b，c）表示機(jī)器人重心在車體中的位置。

機(jī)器人所受的外力作用包括：在A點(diǎn)和B點(diǎn)的支持力Nr、Nf，在B點(diǎn)的摩擦力Nf（φ2-f2），在A點(diǎn)的摩擦力Nr（φ1-f1）以及機(jī)器人本身的重力G。其中，φ1、φ2表示地面和臺階的豎面附著系數(shù)，f1、f2表示地面和臺階的豎面履帶阻力系數(shù)[16]，地面行駛摩擦系數(shù)φ設(shè)為

車體重心的坐標(biāo)變化在xo1y坐標(biāo)系中可以表示為

在xo1y坐標(biāo)系中根據(jù)x、y方向的合外力平衡得到如下方程：

解上式方程得到：

忽略車輪的摩擦，驅(qū)動輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Mk可由下式給出

式中，Mf為內(nèi)部摩擦阻力矩；R為驅(qū)動輪半徑。忽略各個軸頸摩擦力矩，Mf包括以下2個部分：

①電動機(jī)到驅(qū)動輪輪軸的傳動鏈阻力矩Mf1：

式中，η為電動機(jī)到驅(qū)動輪輪軸的傳動效率。

②驅(qū)動輪和履帶的嚙合摩擦阻力矩Mf2：

式中，μ為齒嚙合摩擦系數(shù)；Zt為履帶和驅(qū)動輪的嚙合齒數(shù)；F0為履帶的張緊力。

（2）主履帶翻越臺階的過程。

圖6（e）為機(jī)器人越障運(yùn)動的主要過程，機(jī)器人在主履帶驅(qū)動輪作用下繼續(xù)前進(jìn)，同時依靠障礙物的作用力向上爬升。該運(yùn)動的動力學(xué)模型如圖8所示。

圖8 主履帶翻越臺階動力學(xué)模型

該過程的動力學(xué)方程和前擺臂的動力學(xué)方程類似。在這個過程中θ3與θ一致。在xo1y坐標(biāo)系中根據(jù)x、y方向的合外力平衡得到如下方程：

解上式方程得到：

忽略車輪的摩擦，驅(qū)動輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Mk可由下式給出

3.3 機(jī)器人越障動力學(xué)仿真

仿真參數(shù)設(shè)置如下：電動機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定功率400 W，額定轉(zhuǎn)矩1.27 N·m；機(jī)器人總體質(zhì)量55 kg，行駛速度0.2 m/s。

利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析（automatic dynamic analysis of mechanical system，ADAMS）軟件對機(jī)器人整個越障過程進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖9所示，經(jīng)過仿真得到單側(cè)電動機(jī)的輸出力矩曲線圖如圖10所示，機(jī)器人底盤運(yùn)動的質(zhì)心位移圖如圖11所示，機(jī)器人底盤運(yùn)動的速度曲線圖如圖12所示。

圖9 隧道救援用履帶式機(jī)器人仿真模型圖

圖10 單側(cè)電動機(jī)的輸出力矩曲線圖

圖11 隧道救援用履帶式機(jī)器人底盤運(yùn)動的質(zhì)心位移圖

圖12 隧道救援用履帶式機(jī)器人底盤運(yùn)動的速度曲線圖

仿真結(jié)果表明，機(jī)器人底盤質(zhì)心高度不斷上升直至爬上300 mm的臺階后保持不變。在爬坡的過程中，機(jī)器人從靜止加速到勻速運(yùn)動，速度基本保持不變，受履帶影響，速度有所波動，此時電動機(jī)的力矩從0增大，然后保持不變；爬坡完成后至在坡上停下，整個過程電動機(jī)的輸出力矩都是穩(wěn)定的，可以穩(wěn)定爬上300 mm的障礙物。忽略客觀因素的影響，機(jī)器人在運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)理論上是比較合理的。根據(jù)仿真結(jié)果及設(shè)置的仿真參數(shù)，選用MOTEC型號為DSEM-V481230E60LN的電動機(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動電動機(jī)。

4 機(jī)器人越障實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)方法：在實(shí)際的爬越臺階中，對隧道救援用履帶式機(jī)器人兩側(cè)驅(qū)動電動機(jī)的輸出力矩進(jìn)行分析。測試方法：測量左右輪電動機(jī)的輸入電流，通過對電流和力矩之間的轉(zhuǎn)換求得力矩在爬越臺階過程中的變化趨勢。實(shí)驗(yàn)條件：選取高度為250 mm的臺階作為障礙物來進(jìn)行越障實(shí)驗(yàn)。機(jī)器人開始爬越臺階的速度從0加速到0.2 m/s，之后保持在0.2 m/s。對機(jī)器人進(jìn)行5次越障實(shí)驗(yàn)，越障過程如圖13所示。

圖13 隧道救援用履帶式機(jī)器人爬越臺階過程圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人能順利爬越250 mm高的臺階障礙物，每次完成時間在10～15 s，滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 隧道救援用履帶式機(jī)器人爬越臺階單側(cè)電動機(jī)力矩輸出情況

對圖14中的第②階段進(jìn)行分析，可以看到2個電動機(jī)的變化趨勢是比較吻合的。爬越臺階的10 s和仿真爬越臺階的10 s曲線基本吻合。一開始由于之前進(jìn)行了一個轉(zhuǎn)向，2個電動機(jī)的力矩有一個比較大的差值，在越障完成后機(jī)器人2個電動機(jī)的輸出力矩基本一致。電動機(jī)輸出力矩的數(shù)據(jù)處理是通過在短時間內(nèi)取平均值，沒有考慮電動機(jī)在某一時刻的瞬時變化，在隨后爬越臺階的過程中可以看到曲線的變化趨勢與仿真結(jié)果一致。由此可驗(yàn)證隧道救援用履帶式機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)在理論上都具有合理性。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)能力強(qiáng)的雙擺臂隧道救援用履帶式機(jī)器人，提出了整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，建立了機(jī)器人爬越臺階的動力學(xué)模型。采用經(jīng)典的動力學(xué)分析軟件ADAMS對機(jī)器人越障過程進(jìn)行了仿真，在越障實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人可以穩(wěn)定地爬越250 mm的障礙物，驗(yàn)證了機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的合理性與有效性，能夠滿足在復(fù)雜隧道環(huán)境中穩(wěn)定工作的要求。

雖然設(shè)計(jì)的機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化道路行走中已經(jīng)初步達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但機(jī)器人在擺臂的控制方面缺少靈活性，在軟件控制方面應(yīng)具有機(jī)器人自主控制的能力。在該機(jī)器人底盤的基礎(chǔ)上，可以深入研究隧道救援的上層算法部分，比如自主探索隧道算法。