履帶式類蛇形機器人在復(fù)雜環(huán)境中的設(shè)計及應(yīng)用

摘 要：為了解決災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致的普通搜救機器人功能單一、無法高效完成搜救任務(wù)的問題，本文根據(jù)履帶傳動原理的多適應(yīng)性以及蛇形結(jié)構(gòu)的靈活性，設(shè)計了一款擁有前端伸縮注射裝置的履帶式蛇形結(jié)構(gòu)機器人，該機器人由兩段履帶式行走機構(gòu)組成，可以適應(yīng)多種地形，例如狹窄空間、樓梯環(huán)境等。機器人頭部安裝了注射裝置，該裝置具有耦合錐齒輪調(diào)整位姿的功能。當(dāng)啟動時，注射裝置能夠靈活調(diào)整位姿，從而解決精度和穩(wěn)定性問題。

關(guān)鍵詞：履帶式；救援機器人；履帶底盤；蛇形機器人

中圖分類號：TP 24" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

地震是常見的災(zāi)害之一，地震發(fā)生后的48 h是救援人員對被困人員進(jìn)行救援的黃金時間。超過這個時間，被困者的生還概率會大大降低。救援人員不僅要準(zhǔn)確地定位被困人員的位置，還要在短時間內(nèi)對被困人員進(jìn)行救助，以挽救他們的生命。然而，在狹小的廢墟空間中，救援人員的進(jìn)入常常受到嚴(yán)重阻礙。由于崩塌的建筑物和家具碎片堆積[1]，這些空間變得極為狹窄且錯綜復(fù)雜[2]，因此充滿了巨大的危險性。在這種情況下，大型機械設(shè)備在救援過程中很難發(fā)揮作用。

隨著現(xiàn)代機器人技術(shù)的迅速發(fā)展，一些小型機器人可以代替人類[3]，采用遠(yuǎn)程操控或自動的方式深入復(fù)雜、危險和不確定的災(zāi)害現(xiàn)場中，探測和收集未知的環(huán)境信息，搜索和營救被困者。

在機器人的研究階段，不僅要注重提高機器人整體的硬件性能，還要對機器人的軟件系統(tǒng)進(jìn)行升級和優(yōu)化，以提升整個系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性。采用優(yōu)化算法、增強數(shù)據(jù)處理能力等方法能夠使機器人更好地應(yīng)對復(fù)雜多變的環(huán)境，保證其在惡劣環(huán)境下具有穩(wěn)定性和可靠性，從而順利完成救援任務(wù)。本文對救援機器人的發(fā)展過程進(jìn)行深入研究，并對其救援方式進(jìn)行分析。為了解決救援過程中存在的問題并滿足災(zāi)難后的復(fù)雜救援環(huán)境和需求，設(shè)計了一種綜合性強的復(fù)合性機器人。

1 機器人的設(shè)計方案

1.1 機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該機器人采用完整的機器人機械系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)以適應(yīng)各種災(zāi)難后的復(fù)雜地形，通過裝載多種探測裝置使機器人能更全面地完成任務(wù)，主體機器人應(yīng)具有一定的承重性能來完成探測裝置的搭載。蛇形機器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機器人主體結(jié)構(gòu)由前后端通過一根正交連接桿連接而成。在連接桿的兩側(cè)安裝了舵機，這些舵機與前后行進(jìn)機構(gòu)相連接。在運轉(zhuǎn)過程中，舵機使機器人的前端具備六自由度的運轉(zhuǎn)能力，能夠完成抬頭和上臺階等動作。同時，舵機外部使用2個副連接桿與后車相連，以確保整個裝置的穩(wěn)固性。

主底板是主要的受力面，其可以搭載傳感器，并作為框架以提高機器人的穩(wěn)定性及美觀性。在主底板的下方安裝了肌肉注射裝置，具有前后收縮的功能。同時，8根隱藏式壓縮彈簧附著于副主板旁邊，與8根支撐桿相互作用，共同起到固定作用，使機器人能夠適應(yīng)多種地形。

連接桿兩側(cè)采用型號為MG995的舵機，主動輪模塊則裝備了4個MG513電機以驅(qū)動輪子，其中，頭部模塊和尾部模塊各安裝2個。這些電機與被動輪相配合，可以使機器人在進(jìn)退過程中更靈活。此外，前后端各設(shè)計2個限位輪，并配備2個支撐彈簧形成彈性導(dǎo)向機構(gòu)。當(dāng)受到力的作用時，支撐彈簧會產(chǎn)生變形量，使其所在部位能夠左右移動，從而起到緩沖作用，保證機器人行駛的平穩(wěn)性和可靠性。救援機器人的行走結(jié)構(gòu)還采用了分離的輪軸設(shè)計，使輪軸和輪子可以輕易分開，便于更換和維護(hù)。

在機器人的設(shè)計過程中，需要進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并對所用材料、靜力學(xué)、動力學(xué)模擬仿真等方面進(jìn)行分析。機械結(jié)構(gòu)設(shè)計還須考慮機器人的行走機制、抬升機制、整體搭載結(jié)構(gòu)和肌肉注射結(jié)構(gòu)等方面。所設(shè)計的機器人具體參數(shù)見表1。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)如圖2所示。上位機（PC端）運行蛇形機器人的操作系統(tǒng)，當(dāng)蛇形機器人啟動時，下位機負(fù)責(zé)讀取機器人的狀態(tài)信息并進(jìn)行自檢。反饋至上位機的數(shù)據(jù)包括機器人各關(guān)節(jié)舵機的角度、負(fù)載和速度等傳感器信息，這些數(shù)據(jù)會被上傳至PC端。機器人會啟動搜索感應(yīng)模塊，構(gòu)建三維信息圖并規(guī)劃路徑，以搜尋具有人體特征的信息并進(jìn)行確認(rèn)。結(jié)合機器人的運動狀態(tài)和下位機的反饋數(shù)據(jù)，上位機會綜合計算出機器人需要達(dá)到的目標(biāo)姿勢，并將相關(guān)信息傳輸給下位機。隨后，下位機控制機器人運動，使其能夠到達(dá)被困者所在的環(huán)境，并傳輸實時畫面。根據(jù)畫面的判斷結(jié)果，確定是否需要緊急救助被困者。

1.3 注射裝置設(shè)計

為了達(dá)到救援的目的，機器人需要搭載注射裝置，本文從控制系統(tǒng)、機械裝置、替換裝置以及安全防護(hù)裝置這4個方面進(jìn)行設(shè)計。1）控制系統(tǒng)。注射裝置應(yīng)配備能夠進(jìn)行精確控制的獨立電子系統(tǒng)。這樣做可以與機器人的主系統(tǒng)分離，降低誤差率，提高容錯率，并精確調(diào)節(jié)和把控藥物的注射速度。2） 機械裝置。注射裝置的拆分部分采用伸縮設(shè)計。具體來說，注射裝置被拆分為驅(qū)動伸縮部分和限位部分。一次性針管被嵌套至限位部分，而針管后的伸縮部分則負(fù)責(zé)推動針管進(jìn)行注射操作。3）替換裝置。在執(zhí)行完注射操作后，注射裝置自動退出一次性針管，并通過齒輪旋轉(zhuǎn)機制自動裝載新的一次性針管，以便進(jìn)行下一次的注射操作。4）安全防護(hù)裝置?？紤]到使用特制的注射針筒可能會增加被困者感染的風(fēng)險，而且重復(fù)使用一次性針頭不僅可能導(dǎo)致針頭變鈍或損壞（這會增加注射的疼痛感），還是違法的行為。因此，將一次性針頭嵌入機械裝載裝置中，以取代特制的注射器針筒。

注射裝置的設(shè)計需要考慮空間約束、避障、速度和精度等因素。如果規(guī)劃不合理，注射裝置可能就會碰撞到障礙物或無法順利完成任務(wù)。因此，在驅(qū)動伸縮部分中設(shè)計了耦合錐齒輪位姿調(diào)整裝置，使注射裝置在啟動階段能夠靈活調(diào)整位姿。這種具有六自由度的注射裝置可以很好地解決精度和穩(wěn)定性問題。

2 機器人運動方式及越障分析

2.1 行進(jìn)方式選擇

截至2023年12月，應(yīng)急救援機器人主要采用以下4種移動方式：輪式、履帶式、腿式以及蛇形，這4種方式各有優(yōu)勢。1）輪式移動方式具有結(jié)構(gòu)簡單和靈活性強的特點，適用于多種地形環(huán)境。然而，它對軟件算法和傳感器的依賴程度較高，且在越障能力、穩(wěn)定性和能耗方面存在一定的限制。2）履帶式移動方式使機器人具備良好的越障能力，能夠在各種復(fù)雜地形（例如廢墟、樓梯和泥濘道路等）中展現(xiàn)出很強的適應(yīng)能力，其機械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，因此運動靈活性有所降低。3）腿式移動方式使機器人具備克服復(fù)雜地形和障礙物的能力，在各種救援場景（包括瓦礫、坑洞和樓梯）中都能夠有效移動。由于腿式移動具有復(fù)雜性，因此機器人需要更多的維護(hù)和技術(shù)支持來保持其正常運行狀態(tài)。4）蛇形移動方式是一種較為特殊的行進(jìn)方式。采用蛇形移動的機器人通常以蠕動或轉(zhuǎn)動的方式行進(jìn)。這種行進(jìn)方式速度較慢且負(fù)載能力較低，無法攜帶多種應(yīng)急設(shè)備進(jìn)行救援工作，因此其適用范圍相對較小。最新研制的履帶式蛇形結(jié)構(gòu)機器人將履帶式和蛇形的優(yōu)勢相結(jié)合，其不僅適用于地震后城市廢墟等區(qū)域的救援工作，還能夠攀爬樓梯，全面探測周圍環(huán)境并進(jìn)行有效救援，同時連接處采用舵機機構(gòu)設(shè)計，這些設(shè)計都有利于機器人在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行全面探測與救援。

2.2 機器人跨越臺階

2.2.1 越障原理分析

機器人在城市廢墟攀爬樓梯的過程中，其履帶底線與地面之間的夾角會隨著機器人的行進(jìn)逐漸變大，當(dāng)機器人的重心越過臺階的支撐點時，攀爬樓梯的過程就已經(jīng)進(jìn)行到一半。

2.2.2 越障過程分析

履帶式蛇形結(jié)構(gòu)機器人爬越臺階的過程如圖3所示。機器人利用舵機進(jìn)行物理抬升，同時在后端行進(jìn)機構(gòu)的驅(qū)動下，將前端搭靠在樓梯的支撐點上，機器人繼續(xù)向前移動，當(dāng)重心越過樓梯的邊緣時，后端的行進(jìn)部分將作為主推動力推動機器人向前進(jìn)，在自身重力的影響下，車體下移，機器人成功下臺階。

分析圖3的運動過程可以得出結(jié)論：當(dāng)機器人在階段二時，前端重心的位置處于臨界狀態(tài)。只有當(dāng)機器人的前端重心越過樓梯臺階的邊緣時，才能成功越過障礙。機器人前端上臺階臨界狀態(tài)如圖4所示。

由圖4的幾何關(guān)系得到公式（1）～公式（3）。

x=Lcosα=（h-R）cotα+R/sinα" " " （1）

式中：x為水平投影長度；L為前端到履帶質(zhì)心的距離；α為前端抬升角度；h為臺階高度；R為機器人前輪半徑。

h=Lsinα-R/cosα+R （2）

=Lcosα-Rsinα/cos2α=0 （3）

利用公式（3）計算α，代入公式（2）可以計算機器人跨越障礙的最大高度hmax。

2.3 機器人越障分析

當(dāng)履帶式蛇形結(jié)構(gòu)機器人遇到道路有凹坑時，在行進(jìn)的過程中，整體重心會持續(xù)向前移動，越過凹坑的邊緣。受重力作用，機器人前端會產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，導(dǎo)致運動軌跡不穩(wěn)定。根據(jù)機器人質(zhì)心變化的規(guī)律可以推斷，機器人的前端重心會落在1個半徑為r的圓內(nèi)。當(dāng)定義平地凹坑的寬度為L1時，通過幾何分析可以確定機器人最大越障寬度也為L1（如圖5所示）。

機器人越過凹坑的寬度L1如公式（4）所示。

L1=L+r" " " " " " " " （4）

式中：r為半徑。

根據(jù)機器人質(zhì)心變化的規(guī)律，推斷機器人的前端重心會落在半徑為r的圓內(nèi)。通過幾何分析和公式（4）可以確定機器人最大越障寬度為Lmax1。

2.4 機器人斜坡運行分析

機器人在斜坡上運動的過程中，其受力情況如圖6所示。當(dāng)機器人勻速行駛或靜止時，其驅(qū)動力如公式（5）所示。

F=Gsinβ " " " " " " " " （5）

式中：F為沿坡面分力；G為質(zhì)量；β為坡度。

最大靜摩擦力系數(shù)為μ，最大靜摩擦力如公式（6）所示。

Fmax=μGcosβ " " " " " " "（6）

式中：Fmax為最大靜摩擦力。

當(dāng)F≤Fmax時，機器人能平穩(wěn)行駛。當(dāng)Fgt;Fmax時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。

已知履帶式蛇形結(jié)構(gòu)機器人在上坡地面最大靜摩擦系數(shù)μ，機器人爬越的最大坡度如公式（7）所示。

αmax=tan-1μ " " " " " " （7）

式中：αmax為最大坡度。

當(dāng)爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度如公式（8）所示。

amax=（μcosβ+sinβ）g " " " （8）

式中：g為重力加速度。

由上述計算可知，機器人的爬坡角度最大值為33°；攀爬樓梯高度為17.5 cm。

2.5 機器人本體材料選擇

該機器人主體機架采用鋁合金材料，其具有優(yōu)異的輕量化和強度特性，同時結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)地下管廊狹窄的環(huán)境。在設(shè)計過程中遵循輕量化原則設(shè)計機架。Q235鋼和6005鋁合金的特性參數(shù)對比見表2。

從表2中可以看出，鋁合金密度較低且強度較高，因此首選鋁合金作為機架材料。綜上所述，主體機架采用6005鋁合金以滿足機器人在惡劣環(huán)境中的使用需求。

3 結(jié)論

在研究探測機器人整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本研究團(tuán)隊提出了一種履帶式蛇形結(jié)構(gòu)機器人的總體設(shè)計方案。該機器人的研發(fā)旨在減少災(zāi)難發(fā)生后未能及時救援而導(dǎo)致的傷亡情況。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用模塊化組裝方式，整體結(jié)構(gòu)緊湊且各部位裝置可以靈活配置，使機器人能夠更好地完成救援任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]王妍，王謙，鐘秀梅，等.門源M_s6.9地震中大梁隧道地震動響應(yīng)分析[J].地震工程學(xué)報，2023（6）：1315-1323.

[2]高娜，王海鷹.兩次海地7.3級地震應(yīng)急救援對比分析[J].地震科學(xué)進(jìn)展，2023，53（11）：530-535.

[3]侯鑫新，曾志遠(yuǎn)，吳志強.一種多功能地震救援機器人產(chǎn)品設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界，2023，30（9）：13-16.