輪足混合式消防機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

姜 濤，郭安福，李 進(jìn)，陳 清，張海琦

（聊城大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，聊城 252059）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及大型石油化工企業(yè)和隧道、地鐵等建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加，危險(xiǎn)化學(xué)品和放射性物質(zhì)泄漏以及燃燒、爆炸、坍塌事故也在增多[1～3]。特別是一些特殊的企業(yè)發(fā)生的火災(zāi)，如化工企業(yè)、紡織企業(yè)等，具有突發(fā)性強(qiáng)、燃燒猛烈等特點(diǎn)，并且火災(zāi)過程中會產(chǎn)生大量的有毒氣體，嚴(yán)重地危害周圍群眾和救災(zāi)人員的生命安全[4～6]。因此，研發(fā)成本低、功能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的消防滅火機(jī)器人具有重要意義。

最早的消防機(jī)器人是1986年日本東京消防廳“彩虹5號”機(jī)器人，可代替消防人員進(jìn)入復(fù)雜地形滅火[7]。2006年，由挪威科學(xué)家研制出一種蛇形消防機(jī)器人，進(jìn)入消防救援人員無法進(jìn)入的場所實(shí)施滅火工作[8,9]。2008年，由德國馬格德堡一施騰達(dá)爾大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種球形新型消防機(jī)器人“甲蟲奧勒（OLE）”，可以用來監(jiān)測森林火災(zāi)[10]。在2012年美國HoweandHowe Techonologies公司開發(fā)了一款消防機(jī)器人Thmite，可解決列車脫軌事故中由核燃料和化學(xué)燃料產(chǎn)生的火災(zāi)[11]。

近年來，我國的消防機(jī)器人研究得到了政府和有關(guān)部門的支持，如西北工業(yè)大學(xué)彭濤提出一種高空消防機(jī)器人模糊控制設(shè)計(jì)方案，但其移動速度和材料制備都有很大的難度[12]。南京林業(yè)大學(xué)的姜樹海設(shè)計(jì)了一種用于森林消防的六足機(jī)器人，但在其運(yùn)動過程中關(guān)節(jié)力矩過大會對驅(qū)動電機(jī)造成一定程度的損害[13]。上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所的徐正飛提出集火場探測、消防以及有毒、易燃、易爆氣體場所探測等多種功能于一體的遙控關(guān)節(jié)式移動機(jī)器人控制系統(tǒng)，但目前仍停留于理論研究[14]。

綜合國內(nèi)外消防機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前對于老舊樓道、狹窄隧道的火災(zāi)問題仍處于理論研究狀態(tài)，無法有效地對火災(zāi)進(jìn)行撲滅。

針對此問題，本文設(shè)計(jì)了一種可在四驅(qū)輪式和雙足步態(tài)行走自由切換，并可實(shí)現(xiàn)全方位噴射的消防機(jī)器人。首先對機(jī)器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。其次，對主要零部件進(jìn)行SolidWorks建模仿真分析，采用MATLAB/Simulink對行走裝置進(jìn)行振動仿真分析。最后搭建樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)合理性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)器主要由四驅(qū)行走裝置、步態(tài)行走裝置、滅火噴射裝置、轉(zhuǎn)臂執(zhí)行裝置、火源檢測裝置、儲水裝置、電子與控制系統(tǒng)等組成，其裝置整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 機(jī)器整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

機(jī)器的工作原理如圖2所示，其工作流程如下。

圖2 消防機(jī)器人工作原理圖

1）操作人員開啟機(jī)器、遙控端電源，操作人員通過遙控端發(fā)送指令控制車身的行走，進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場后，啟動道路與火源檢測模式。

2）在道路檢測模式下，機(jī)器可在平地與狹窄隧道的道路上，進(jìn)行輪式與步態(tài)越野避障行走。

3）在火源檢測模式下，火源檢測裝置實(shí)時(shí)檢測火源。當(dāng)火源檢測裝置檢測到火源時(shí)，STM32芯片控制消防機(jī)器人規(guī)劃路線，循跡至火源位置。

4）循跡至火源位置后，消防機(jī)器人停止運(yùn)動，開始定位火源，啟動滅火噴射裝置。

5）根據(jù)攝像頭采集的圖像，轉(zhuǎn)臂執(zhí)行裝置控制滅火噴射裝置對指定火源進(jìn)行滅火噴射，其噴射形成有效的包圍圈，可有效對火源撲滅。

6）在滅火過程中攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像，通過圖像處理算法檢測火源是否被撲滅，如果火源撲滅，繼續(xù)尋找下一處火源位置，一直到火源全部撲滅后返回至初始位置。

2 消防機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 行走裝置的設(shè)計(jì)

本機(jī)器的行走裝置三維模型圖如圖3所示，行走裝置主要包括四驅(qū)行走裝置和步態(tài)行走裝置兩部分。本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的四驅(qū)輪式基礎(chǔ)上，增添步態(tài)行走模式，通過攝像頭對采集圖像進(jìn)行處理，檢測道路模式，在平緩道路上切換至四驅(qū)輪式狀態(tài)，提高機(jī)器移動的速度，在狹窄隧道的道路上或老舊樓道上切換至步態(tài)交替行走。

圖3 行走裝置模型圖

2.1.1 四驅(qū)行走裝置的設(shè)計(jì)

四驅(qū)行走裝置采用伸縮氣缸和麥克納姆輪相配合的設(shè)計(jì)，其三維模型如圖4所示。通過攝像頭采集圖像進(jìn)行處理判斷道路模式，在平緩道路上，伸縮氣缸通過支架連接步進(jìn)電機(jī)控制麥克納姆輪上下運(yùn)動，改變運(yùn)動方式。

圖4 四驅(qū)行走裝置模型圖

2.1.2 雙足行走裝置的設(shè)計(jì)

針對傳統(tǒng)消防機(jī)器人無法進(jìn)入老舊樓道、狹窄隧道等地形復(fù)雜的地區(qū)的問題。本機(jī)器對行走裝置進(jìn)行仿人型的足式步態(tài)設(shè)計(jì)，使其可在老舊樓道的臺階或狹窄隧道的道路上行走，提高消防機(jī)器人越野避障的能力，其三維模型如圖5所示。

圖5 雙足行走裝置模型圖

2.2 轉(zhuǎn)臂執(zhí)行裝置的設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)為本機(jī)器的獨(dú)特設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)臂執(zhí)行裝置由主轉(zhuǎn)臺、關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3、噴射器等組成。轉(zhuǎn)臂運(yùn)行時(shí)，主轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，帶動關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2運(yùn)動，關(guān)節(jié)3隨之做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，控制安裝在關(guān)節(jié)3末端的機(jī)械臂做伸縮和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過噴射器對火源形成有效的包圍圈。根據(jù)中央控制器STM32的指令信號，控制水泵和流量閥進(jìn)行滅火，三維模型如圖6所示。

圖6 執(zhí)行裝置示意圖

3 主要零部件建模仿真分析

3.1 四驅(qū)行走裝置建模仿真

四驅(qū)行走裝置是本機(jī)器的核心裝置，為保證其穩(wěn)定性，本文采用SolidWorks對固定伸縮氣缸的U型支架進(jìn)行Simulation靜應(yīng)力分析，其結(jié)果如圖7所示，由圖7可知。

圖7 有限元分析

式中：

σs為材料的最大屈服應(yīng)力（N/m2）

σ為材料的最大變形應(yīng)力（N/m2）

由以上數(shù)據(jù)可知設(shè)計(jì)的U型支架其應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力，滿足零件的設(shè)計(jì)要求，可保證氣缸在垂直方向的穩(wěn)定運(yùn)行。

為進(jìn)一步保證氣缸在垂直方向的運(yùn)動穩(wěn)定性，采用Motion動力學(xué)對四驅(qū)行走裝置的軌跡路線進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖8所示。由圖8可知車輪在垂直方向?yàn)榫€性運(yùn)動，氣缸推桿的位移量為0.48m，運(yùn)行時(shí)間為3.2s，運(yùn)行速度為0.15m/s。

圖8 四驅(qū)行走裝置運(yùn)動學(xué)分析

3.2 行走裝置的Simulink振動仿真分析

3.2.1 四自由度機(jī)器振動模型

機(jī)器在運(yùn)動的過程中由于路面的不平度和車輪運(yùn)動方向的轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致局部產(chǎn)生劇烈的振動影響其穩(wěn)定性[15,16]。因此研究機(jī)器振動，對主要參數(shù)合理設(shè)計(jì)具有重大意義[17～19]。

將機(jī)器簡化為4自由度的振動模型，分別為機(jī)器本身的垂直和俯仰兩個(gè)自由度、車輪前后軸兩個(gè)自由度，振動模型如圖9所示。

圖9 4自由度振動模型

圖9中：

m為機(jī)器重量（kg）；

m1為前輪重量（kg）；

m2為后輪重量（kg）；

I為車身繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2）；

θ為機(jī)器質(zhì)量轉(zhuǎn)角（rad）；

a、b為前后軸到質(zhì)心的距離（m）；

k1.Ak3為前后輪胎剛度（N.m-1）；

k2.Ak4為前后懸架剛度（N.m-1）；

y、y1、y2為機(jī)器、前輪、后輪位移量（m）；

y3為路面不平度的位移量（m）。

簡化4自由度的振動模型并進(jìn)行受力分析，根據(jù)受力分析結(jié)果建立平衡方程如下。

機(jī)器受力平衡方程為：

前軸前輪受力分析為：

后軸后輪受力分析為：

力矩平衡方程為：

對于前后軸上方的垂直位移有如下關(guān)系：

前軸：

后軸：

整理式(1)～式(6)得：

將上式簡化為質(zhì)量矩陣可得：

式中：

M為機(jī)器的質(zhì)量矩陣；

Y為機(jī)器各自由度的位移量；

K為機(jī)器的剛度矩陣；

KT為麥克納姆輪的剛度矩陣；

YT為路面不平度的位移量。

可得：

對式(7)兩側(cè)同取拉斯變換可得：

化簡可得傳遞函數(shù)矩陣為：

用jw代替s算子可得機(jī)器的頻率響應(yīng)函數(shù)。

3.2.2 四自由度機(jī)器振動分析

采用MATLAB/Simulink軟件，將上述4自由度振動模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)仿真模型，機(jī)器仿真參數(shù)如表1所示，仿真模型如圖10所示。

圖10 Simulink仿真模型圖

表1 機(jī)器仿真參數(shù)表

機(jī)器在運(yùn)動過程中，由于路面模型和行駛速度的不同，造成的路面不平度激勵(lì)是不同的。為了更好的進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將路面模型簡化為正弦曲線，其數(shù)學(xué)模型為y3=0.2sin（2πft），取f=10Hz得到的仿真結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，機(jī)器行走的振動曲線為簡諧振動，其振動的最大值分別為y=0.02059m、y1=y2=0.03188m。

圖11 機(jī)器振動位移曲線

由此可知本機(jī)器的垂直自由度振動位移量完全可保證機(jī)器運(yùn)動過程的平順性和穩(wěn)定性。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

輪足混合式消防機(jī)器人雙足行走裝置的樣機(jī)模型如圖12所示，考慮到雙足算法、行走速度對雙足行走平衡能力的影響，本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對該消防機(jī)器人進(jìn)行雙足步態(tài)算法、行走速度的實(shí)驗(yàn)分析。消防機(jī)器人在一定區(qū)域內(nèi)巡邏，通過雙足步態(tài)行走跨越障礙物。進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)測試機(jī)器人的平衡能力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，在伺服舵機(jī)分步執(zhí)行值x=100的條件下，改變機(jī)器人的轉(zhuǎn)角速度，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖12 消防機(jī)器人雙足行走轉(zhuǎn)置樣機(jī)模型

根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知采用該分步執(zhí)行步態(tài)算法其平衡率高達(dá)98.8%，相比于延時(shí)函數(shù)控制舵機(jī)其平衡能力增強(qiáng)3.6%，可減少事故的發(fā)生。由表3可知，舵機(jī)轉(zhuǎn)角速度越快，機(jī)器人摔倒的次數(shù)越多，平衡率越低。

表2 雙足步態(tài)算法實(shí)驗(yàn)

表3 機(jī)器人轉(zhuǎn)角速度實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)語

1）對機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對主要零部件行走裝置和轉(zhuǎn)臂執(zhí)行裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2）采用三維SolidWorks進(jìn)行建模仿真分析。對四驅(qū)行走裝置進(jìn)行建模分析，通過靜力學(xué)應(yīng)力分析可知其應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力，完全符合使用要求。采用Motion動力學(xué)對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行分析，結(jié)果表明：下落時(shí)間為3.2s，運(yùn)行速度為0.15m/s，可保證車輪在垂直方向的線性運(yùn)動

3）對機(jī)器的行走裝置進(jìn)行MATLAB/Simulink仿真分析，結(jié)果表明：機(jī)器最大的垂直自由度的振動位移量ymax=0.02059m。由此可知該設(shè)計(jì)的機(jī)器垂直自由度的振動位移量小，可保證機(jī)器在運(yùn)動過程的平順性和穩(wěn)定性。

4）通過實(shí)驗(yàn)表明：在舵機(jī)分步執(zhí)行值為100時(shí)，其平衡率高達(dá)98.8%，轉(zhuǎn)角速度為0.8cm/s時(shí)，其平衡率達(dá)99.6%，由此可知該算法可有效提高機(jī)器人的平衡能力，減少事故的發(fā)生。