基于Adams的森林防火機(jī)器人履帶平臺設(shè)計(jì)與動力學(xué)仿真

劉澤新，王希貴，林文樹

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)不斷發(fā)展，人類所涉足的作業(yè)環(huán)境也在不斷地增加，其中很多高危作業(yè)環(huán)境，如野外探索、煤礦監(jiān)測運(yùn)輸、核工業(yè)及林火防護(hù)等。在這些高危的作業(yè)環(huán)境下，亟需發(fā)展特種機(jī)器人來代替人類進(jìn)行相關(guān)工作[1-2]。目前森林火災(zāi)作為嚴(yán)重的自然災(zāi)害和突發(fā)性的公共危險事件，具有解決困難、發(fā)生突然和起勢極快等特點(diǎn)。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(qiáng)度高和風(fēng)險大。因此，提高和發(fā)展現(xiàn)代森林消防實(shí)力及裝備是非常緊迫和必要的[3-4]。

針對目前的林業(yè)消防機(jī)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(jī)器人，使其可以進(jìn)行余火探查問題；馬巖等[8]研究的履帶式風(fēng)力滅火機(jī)行走機(jī)構(gòu)，改進(jìn)了履帶結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)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(shè)計(jì)出液壓擺臂履帶變形機(jī)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(jī)器人，通過對轉(zhuǎn)臂進(jìn)行較大幅度的調(diào)節(jié)提高了越障能力。賈海東等[13]研究的輪履復(fù)合巡檢機(jī)器人具有輪式和履帶2種模式，可以實(shí)現(xiàn)在礦井復(fù)雜地面環(huán)境下的設(shè)備巡檢工作。李智卿等[14]開發(fā)的輪履復(fù)合變形移動機(jī)器人結(jié)合輪式和履帶式的運(yùn)動優(yōu)點(diǎn)可以適應(yīng)復(fù)雜路面的運(yùn)動。孫鵬等[15]研制的輪履復(fù)合式機(jī)器人通過輕量化、模塊化設(shè)計(jì)，保證了設(shè)備的快速裝配和維修。李允旺等[16]從運(yùn)動學(xué)的角度分析了四履帶雙擺臂機(jī)器人的越障性能，推導(dǎo)出最佳的越障性能及對應(yīng)的擺臂位置。布升強(qiáng)等[17]設(shè)計(jì)出一種自適應(yīng)的蟻群算法，提高了森林防火機(jī)器人在軌跡搜尋上的速度和準(zhǔn)確度。日本的Ito等[18]研究的串聯(lián)多履帶機(jī)器人，通過多節(jié)履帶仿照蛇的運(yùn)動方式進(jìn)行越障。Kamezaki等[19]研究的四臂四履帶式機(jī)器人通過4個履帶臂提高爬樓梯的穩(wěn)定性，并應(yīng)用于災(zāi)難后的救援工作。

綜合國內(nèi)外的研究情況，目前的森林監(jiān)測的自動化機(jī)器人主要是足式機(jī)器人的研究，雖然足式機(jī)器人適應(yīng)地形能力高，越障能力強(qiáng)，但是其造價成本高，搭載能力不強(qiáng)。履帶式機(jī)器人雖然越障能力上稍遜于足式機(jī)器人，但對于工作環(huán)境要求不高，負(fù)載性能好，更加適用林區(qū)環(huán)境?？勺冃温膸噍^于普通履帶有更好的張緊效果，且履帶的變形和輔助機(jī)構(gòu)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(jìn)行在林區(qū)中應(yīng)用的相關(guān)研究，將其應(yīng)用于林區(qū)消防領(lǐng)域有助于提高森林防火機(jī)器人在森林中行進(jìn)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(fù)雜的環(huán)境，提出將可變形履帶應(yīng)用于森林消防機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在森林火災(zāi)監(jiān)測時更好地行進(jìn)。

1 森林防火機(jī)器人履帶平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究主要是針對森林防火機(jī)器人的履帶平臺為研究對象，機(jī)器人的控制裝置不做詳細(xì)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(shí)現(xiàn)對履帶在越障時的各種變形；為了減少履帶運(yùn)行時的阻力，增加張緊力，履帶選用后置驅(qū)動；保證輔助變形輪不出現(xiàn)在履帶內(nèi)轉(zhuǎn)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(qū)動電機(jī)；同時為減輕履帶行進(jìn)時的振動，履帶平臺采用了一種阻尼彈簧結(jié)構(gòu)的減震輪。履帶平臺結(jié)構(gòu)外觀如圖1所示，其相關(guān)的主要參數(shù)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(shù)

1.2 工作原理

本文的可變形履帶采用橢圓形成原理構(gòu)成，通過輔助變形輪的變形實(shí)現(xiàn)平臺越障時更好地增加與地面的接觸面，提高了運(yùn)動的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了越障能力，其原理如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)原理圖

在圖2中，F(xiàn)1、F2為橢圓的焦點(diǎn)，P1為橢圓軌跡上的可移動點(diǎn)，通過橢圓的規(guī)律可知P1F1+P1F2=2a，并且在F1、F2確定時，三角形F1P1F2的周長為常數(shù)。故根據(jù)此原理，本機(jī)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(yùn)動，履帶的長度近似為此橢圓軌跡內(nèi)構(gòu)成的三角形F1P1F2的周長，且因?yàn)槁膸Ь哂幸欢◤椥?，可相?dāng)于長度基本不變。通過液壓桿的連續(xù)伸縮驅(qū)動OP1臂轉(zhuǎn)動，以達(dá)到所能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變換效果。

2 森林防火機(jī)器人履帶平臺越障機(jī)理分析

由于林區(qū)地形復(fù)雜，越障的種類及分布也十分復(fù)雜，因此，越障能力的高低是該履帶平臺能否適用于林區(qū)的重要性能指標(biāo)。林區(qū)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(shè)計(jì)的機(jī)器人主要應(yīng)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(jìn)行簡化，通過較為簡單的模型對越障能力進(jìn)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(jī)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(jìn)行調(diào)節(jié)，改變整個平臺裝置質(zhì)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(jìn)行分析計(jì)算。

圖3 履帶平臺攀爬高地過程圖

通過建立以F1為坐標(biāo)原點(diǎn)，以F1F2方向的直線為X0軸的直角坐標(biāo)系X0F1Y0，可以計(jì)算整個履帶平臺的質(zhì)心G0的位姿，其坐標(biāo)系如圖4所示。

森林防火機(jī)器人履帶平臺的質(zhì)心G0位置為：

(1)

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

根據(jù)圖4的幾何關(guān)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(jìn)行求關(guān)于β的二階偏導(dǎo)值：

(3)

圖4 森林防火機(jī)器人履帶平臺質(zhì)心分布圖

2.2 翻越溝壑分析

本森林防火機(jī)器人履帶平臺翻越溝壑成功與否，主要依據(jù)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(jìn)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(jī)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(diào)節(jié)改變整個平臺裝置質(zhì)心的位姿，以保證可以跨越一定距離的溝壑。下面對本行進(jìn)裝置能翻越的最大溝壑距離進(jìn)行分析計(jì)算。

當(dāng)履帶平臺達(dá)到圖5中(b)位置時，可能出現(xiàn)2種情況。

圖5 履帶平臺翻越溝壑過程圖

(1)履帶平臺質(zhì)心達(dá)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(xiàn)圖6的臨界狀態(tài)，履帶平臺總質(zhì)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(zhì)心翻越溝壑位置

Lmax=L1-R-XG0min。

(4)

當(dāng)α=0°，θ→π時，履帶平臺的總質(zhì)心達(dá)到該位置時的水平位置最小，并根據(jù)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(zhì)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(cè)溝壑中，其情況如圖7所示。

圖7 質(zhì)心未跨過溝壑

由圖7可知，可計(jì)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(dāng)α=π，θ→0°時，履帶平臺的總質(zhì)心達(dá)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(guān)參數(shù)代入公式(10)，可得到可跨越最大寬度Lmax=256.678 mm。實(shí)際的跨越過程中質(zhì)心移動和計(jì)算會有一定的誤差，所以要在后續(xù)仿真中進(jìn)行驗(yàn)證。

3 森林防火機(jī)器人履帶平臺運(yùn)動學(xué)仿真分析

3.1 建立仿真虛擬樣機(jī)分析平臺

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

圖8 森林防火機(jī)器人履帶平臺簡化模型

模型導(dǎo)入Adams后，先添加重力以及各個零部件的相關(guān)質(zhì)量屬性，并為了更好地模擬該森林防火機(jī)器人履帶平臺在搭載設(shè)備時的狀況，將車主體部分質(zhì)量定義為120 kg。之后對模型添加固定副、旋轉(zhuǎn)副、接觸約束和耦合副，因?yàn)槁膸槿嵝泽w，若將履帶模型導(dǎo)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(xiàn)錯誤都會影響仿真結(jié)果，所以本文最終選擇圖8的簡化模型來進(jìn)行仿真，并通過耦合副的方式達(dá)到履帶傳動的效果。對履帶進(jìn)行簡化仿真主要因?yàn)橥ㄟ^其前變形輪和后輔助輪的支撐和變化實(shí)現(xiàn)，對履帶影響不大，所以可以近似實(shí)現(xiàn)履帶運(yùn)行效果。

3.2 仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證履帶平臺在林區(qū)復(fù)雜地面上的越障能力，根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果結(jié)合林區(qū)的實(shí)際工作環(huán)境，建立出溝壑和高地臺階模型，通過Adams進(jìn)行越障的仿真驗(yàn)證，并計(jì)算所需的力矩。

3.2.1 攀爬高地仿真分析

參考實(shí)際的森林作業(yè)環(huán)境多為不平的土坡，為方便仿真將其簡化為臺階，設(shè)置高度為200 mm的單臺階進(jìn)行仿真，并添加驅(qū)動力矩，利用STEP函數(shù)對履帶平臺的攀爬各階段的變形進(jìn)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(dāng)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(dāng)整體總質(zhì)心達(dá)到臺階邊緣處時，后輔助履帶逆時針轉(zhuǎn)動將后主動輪撐起。通過這3個階段的履帶變化實(shí)現(xiàn)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(jī)器人履帶平臺可以成功攀爬200 mm的階梯，將仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)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(qū)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(qū)動力矩小于電機(jī)所能提供的最大力矩，滿足實(shí)際要求。

圖10 攀爬時前履帶伸縮桿的驅(qū)動力矩

圖11 攀爬時后方輔助履帶的驅(qū)動力矩

在攀爬高地時，其重心的穩(wěn)定性也直接影響履帶平臺的行進(jìn)和防火作業(yè)，在設(shè)計(jì)時要使其重心的變化更小。本履帶平臺在行進(jìn)時除在攀爬的特殊階段內(nèi)有小幅度的重心抬高外，基本保持重心的穩(wěn)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(shí)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(jìn)重心的下降穩(wěn)定。

3.2.2 跨越溝壑仿真分析

參照森林環(huán)境和上文計(jì)算的最大跨越溝壑寬度，設(shè)置255 mm的溝壑，添加驅(qū)動力矩并利用STEP函數(shù)對履帶平臺的跨越過程進(jìn)行運(yùn)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(shè)計(jì)的森林防火機(jī)器人履帶平臺可以成功跨越255 mm的溝壑，對其仿真結(jié)果進(jìn)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(qū)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(qū)動。履帶平臺所需驅(qū)動力矩小于電機(jī)所能提供的最大力矩，滿足實(shí)際要求。

圖13 跨越時前履帶伸縮桿的驅(qū)動力矩

4 結(jié)論

本文研究的森林防火機(jī)器人履帶平臺具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力和越障能力，通過仿真與數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證，并得到了以下結(jié)論。

(1)通過應(yīng)用橢圓形成原理解決了履帶不能連續(xù)性張緊的問題，并結(jié)合履帶擺臂研究出了一種可以應(yīng)用于林區(qū)防火的可變形履帶式機(jī)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(xué)模型，通過運(yùn)動過程中的幾何關(guān)系計(jì)算出了履帶平臺可以達(dá)到的最大攀爬高度和最大翻越寬度。

(3)通過Adams進(jìn)行越障的動力學(xué)仿真，驗(yàn)證了在林區(qū)常見高度坡地上和最寬溝壑的通過性。并分析了運(yùn)動過程中的驅(qū)動力矩，確保了電機(jī)選擇的合理性，驗(yàn)證了履帶平臺的越障性能。