可變形履帶式自動巡檢消防機(jī)器人設(shè)計與性能分析

祁宇明，謝 兵，鄧三鵬，林丙好

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津30222）

0 引言

根據(jù)我國消防救援局調(diào)查的數(shù)據(jù)分析知[1]，在2007-2016年之間有228.2萬起的火災(zāi)被登記在案，造成15124人死亡、9561人受傷，已經(jīng)核實的財產(chǎn)損失高達(dá)284億元，造成474起大型火災(zāi)事件。火災(zāi)事故發(fā)生一方面是由于企業(yè)自身監(jiān)管不到位、消防設(shè)施不全、無人排查安全隱患；另一方面是企業(yè)缺少一套完成的消防預(yù)警和處理流程。針對此種情況，消防、巡檢功能一體化的機(jī)器人已經(jīng)逐步成為消防領(lǐng)域的又一發(fā)展方向，自動巡檢消防移動機(jī)器人輔助企業(yè)開展消防排查，代替或者減輕工人的勞動強(qiáng)度，能在火災(zāi)初期進(jìn)行安全、快速、有效地進(jìn)行滅火的一款消防裝備。國內(nèi)外在救火機(jī)器人的研究上持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，日本目前最為先進(jìn)的是“消防龍”（Dragon Firefighter）滅火機(jī)器人[1，2]，如圖 1 所示。它的形狀類似于一條蛇形，移動橫向移動范圍大約1.5 m左右，利用自身的紅外鏡頭和光學(xué)鏡頭，找到火源并進(jìn)行撲滅。

圖1 “消防龍”使用場景

德國的甲蟲 OLE（Off-road Loescheinhei）消防機(jī)器人[3]，如圖2所示。它能利用裝帶的水箱和滅火劑執(zhí)行滅火人任務(wù)，并且具有自我保護(hù)功能。當(dāng)靠近火源時，會自動規(guī)劃路線，及時避開。

圖2 OLE消防機(jī)器人

國內(nèi)中信集團(tuán)研發(fā)的防暴消防滅火偵查機(jī)器人[2]，如圖3所示。該機(jī)器人集防爆，自動控制，網(wǎng)絡(luò)和通訊，傳感器等技術(shù)于一體，實現(xiàn)了圖像和語音識別、無線通信和遠(yuǎn)程控制等一系列功能。

圖3 中信研發(fā)的防暴消防滅火偵查機(jī)器人

研究開發(fā)基于小型化用于巡檢、撲滅中小型火災(zāi)、性價比高的消防機(jī)器人在當(dāng)今社會尤為重要。

1 總體設(shè)計方案

攜帶消防設(shè)備的自動巡檢消防移動機(jī)器人可以實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境避障、爬坡、跨越溝槽、爬樓梯等自動巡檢，同時向總控制部門發(fā)出安全警報。該機(jī)器人在整體質(zhì)量、尺寸、速度、工作時間、運動控制等方面需要表 1 性能指標(biāo)[5，6，7]。

表1 自動巡檢消防移動機(jī)器人主要技術(shù)指標(biāo)

該機(jī)器人包括：行走系統(tǒng)、消防機(jī)械臂系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制臺及通訊系統(tǒng)等，總體設(shè)計方案示意圖見圖4。

圖4 機(jī)械總體設(shè)計方案示意圖

2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計

為保證自動巡檢消防移動機(jī)器人可以正常工作在各種復(fù)雜的環(huán)境下，因此，要求機(jī)器人具有一定的越障能力。

2.1 履帶支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

履帶支撐結(jié)構(gòu)承載著機(jī)器人的整個機(jī)體，需要驅(qū)動機(jī)器人進(jìn)行直線和轉(zhuǎn)彎簡單運動，進(jìn)行越障、爬坡、爬樓梯等多種復(fù)雜的運動。本文設(shè)計的履帶支撐結(jié)構(gòu)主要包括履帶、主動輪、從動輪、減震器、支撐架、伸縮桿（L）、伸縮桿（R）、伸縮套等，如圖 5所示。

圖5 履帶支撐結(jié)構(gòu)

履帶支撐架的末端裝有兩個滾動軸承，兩個滾動軸承之間裝有履帶從動輪。支撐架的中部開有一直徑8 mm的孔，通過8 mm銷釘連接履帶減震器。該減震器形同于山地自行車前減震器的機(jī)構(gòu)，使履帶支撐架在一定范圍能夠承受機(jī)器人下墜的震動，保證機(jī)器人整體運行不受影響。減震器的阻尼比可以通過更換內(nèi)部的彈簧來調(diào)節(jié)，以便在使用不同的履帶時適應(yīng)不同的減震需求，防止震動太大導(dǎo)致履帶脫離履帶輪的情況發(fā)生。履帶減震器末端裝有兩個滾動軸承，兩個滾動軸承之間裝有履帶從動輪。在兩個履帶從動輪之間有一個如圖5所示的履帶伸縮桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由伸縮桿（L）、伸縮桿（R）和伸縮套構(gòu)成。伸縮桿（L）一端連接在減震器外部，和連接減震器的履帶從動輪是同軸；另外一端為M30×3.5-LH-5g6g-L的螺紋。伸縮桿（R）一端連接在履帶支撐桿外端，與連接履帶支撐桿的履帶從動輪同軸；另外一端為M30×3.5-5g6g-L的螺紋。在螺紋軸之間有一個可以與之相旋合的伸縮套。該零件外直徑為50 mm，長度為80 mm，內(nèi)部有與螺紋軸配合的內(nèi)螺紋，兩頭分別是左旋和右旋，套筒的外表面開有8個均勻分布標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)六角槽。裝配在兩個螺紋軸之間放入彈簧，提供預(yù)緊力。使用外六角扳手扳動套筒旋轉(zhuǎn)可以使伸縮桿（L）和伸縮桿（R）之間的直線距離縮短或者加大，從而調(diào)節(jié)整個履帶機(jī)構(gòu)的周長，使履帶機(jī)構(gòu)可以配合更多不同種類的履帶，還可以進(jìn)行履帶的快速更換，大大提高了機(jī)器人的使用范圍。

通過外短軸的旋轉(zhuǎn)來帶動履帶支撐架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而帶動整個履帶機(jī)構(gòu)可以在一定幅度內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)履帶機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到兩個履帶從動輪間的履帶接觸地面時，機(jī)器人底盤相對于未旋轉(zhuǎn)之前將會大大升高，有利于機(jī)器人實現(xiàn)越障、爬坡、上樓梯等功能。

2.2 履帶選型

根據(jù)履帶設(shè)計準(zhǔn)則，知道履帶節(jié)距與整體質(zhì)量有以下對應(yīng)關(guān)系：

式中：t0為履帶節(jié)距，mm；m為機(jī)器人整體質(zhì)量，m=200 kg。

根據(jù)公式（1）得出，t0=49.8 mm，根據(jù)機(jī)器人使用場合參考廠家履帶型號，選用型號為ZRT-100 B消防、反恐機(jī)器人橡膠履帶，取t0=58.5 mm。

2.3 驅(qū)動功率計算

按照力學(xué)相關(guān)知識和機(jī)器人主要技術(shù)參數(shù)，該機(jī)器人在平地上加速運動受力情況如圖6所示。

圖6 平地上加速運動受力情況

根據(jù)受力分析以及機(jī)構(gòu)平衡條件，在驅(qū)動力矩Mk和履帶牽引力Fk之間存在以下關(guān)系：

式中：Fk為牽引力；MK為驅(qū)動力矩；Mr為機(jī)構(gòu)內(nèi)摩擦力矩；R為驅(qū)動輪半徑，R=70 mm。

Mr是因為機(jī)構(gòu)中的軸承、履帶相接觸后產(chǎn)生力矩。Mk形成牽引力的時需要克服內(nèi)部摩擦，主要的摩擦力如下：

（1）履帶驅(qū)動輪和軸承之間的摩擦力Ff1：

式中：Ff1為驅(qū)動輪和軸承之間的摩擦力（N）；μ1為履帶嚙合時摩擦系數(shù)，查表μ1=0.06；Mr為機(jī)構(gòu)內(nèi)摩擦力矩（N·m）；Z 為驅(qū)動輪嚙合齒數(shù)，Z=14；F0履帶預(yù)緊力（N）；Fk為履帶牽引力（N）。

其中履帶預(yù)緊力F0和履帶牽引力Fk分別為：

式中：m為機(jī)器人總質(zhì)量，m=200 kg；g為重力加速度，取g=9.8 N/kg；Fα為慣性力；α為加速度，α=0.5 m/s2；FR為土壤阻力（N）；Fb為啟動力阻力（N）。

其中慣性力Fα和啟動力阻力Fb為：

式中：λ為土地土壤參數(shù)，λ=0.01；v為機(jī)器人運動速度，v=2.5 m/s。

（2）履帶上部從動輪和軸承之間的摩擦力Ff2：

式中：Ff2為上從部動輪和軸承之間的摩擦力；μ2為滾動球軸承滑動摩擦系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計手冊μ2=0.02；φ 為履帶與水平面夾角，φ =27.94°；Fn1為驅(qū)動輪支持力（N）。

（3）履帶底部從動輪和軸承之間的摩擦力Ff3，力矩：

式中：Fn為從動輪支持力，N；Mf3為從動輪和軸承之間的摩擦力矩（N·m）；r1為從動輪半徑，r1=45 mm。

（4）履帶導(dǎo)向從動輪和軸承之間的摩擦力Ff4：

式中：Mf4為導(dǎo)向從動輪和軸承之間的摩擦力矩（N·m）；φ 為履帶與水平面夾角，φ =27.94 °；r2為從動輪半徑，r1=45 mm。

整理公式，可得

帶入數(shù)值計算后可得，驅(qū)動輪Mk=28.75 N·m，單個驅(qū)動輪Mk=14.38 N·m。

2.4 斜面上加速運動受力分析

根據(jù)相關(guān)力學(xué)知識以及技術(shù)指標(biāo)[6]，該機(jī)器人在α=30°的斜面上加速運動受力情況如圖7所示。

根據(jù)受力分析以及機(jī)構(gòu)平衡條件，可得履帶牽引力 Fk：

式中：α 為斜面角度，α =30°；Fα為慣性力；FR為土壤阻力；Fb為啟動力阻力。

2.5 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

直流伺服電機(jī)通過減速器降低轉(zhuǎn)速、增加扭矩，通過齒輪或帶傳動將動力輸出到輸出軸上，從而帶動驅(qū)動輪。為了使消防機(jī)器人在平坦的地面上快速到達(dá)起火地點，在穿越障礙物、爬坡、越障和執(zhí)行自動巡檢任務(wù)時需要輸出低速、高扭矩。通常設(shè)計方式是：每個履帶機(jī)構(gòu)的驅(qū)動以及履帶機(jī)構(gòu)整體的旋轉(zhuǎn)運動都由單獨的電機(jī)來控制。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)可以讓每條履帶具有不同的線速度、每個履帶機(jī)構(gòu)都可以獨立旋轉(zhuǎn)。如圖8所示。

圖8 傳動機(jī)構(gòu)簡圖

3 機(jī)器人相關(guān)性能分析

3.1 機(jī)器人爬樓梯過程分析

如圖9所示，機(jī)器人爬樓梯過程：

（1）機(jī)器人在水平地面上移動時，前后履帶機(jī)構(gòu)最大面緊貼地面，履帶機(jī)構(gòu)和機(jī)身都保持水平狀態(tài)。

（2）當(dāng)機(jī)器人接近第一級樓梯時，前履帶機(jī)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)抬起到高于第一級樓梯的位置，在驅(qū)動輪的驅(qū)動下，前履帶機(jī)構(gòu)的履帶在樓梯邊緣上。

（3）機(jī)器人繼續(xù)移動，前履帶機(jī)構(gòu)隨著機(jī)器人的移動變化角度，使整個履帶機(jī)構(gòu)都靠在樓梯上。后履帶機(jī)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)，靠機(jī)電扭矩使機(jī)器人本體向上抬起。

（4）機(jī)器人繼續(xù)移動，后履帶機(jī)構(gòu)靠上第一級樓梯，機(jī)身傾斜角度隨著履帶的移動而逐漸接近樓梯坡度。

圖9 機(jī)器人爬樓梯過程分析

3.2 機(jī)器人跨越溝槽分析

機(jī)器人的重心會隨著機(jī)器人的跨越溝槽運動而不斷向前運動。機(jī)器人跨越溝槽的運動示意圖如圖10所示，按機(jī)器人重心相對于溝槽的不同位置，可分為以下幾種情況：

（1）當(dāng)重心未跨越溝槽時，機(jī)器人可以正常行駛。

（2）當(dāng)重心接近溝槽的邊緣時，機(jī)器人就可能會因為重心不穩(wěn)而出現(xiàn)向前翻到的趨勢，進(jìn)而摔入溝槽，發(fā)生事故。

（3）當(dāng)重心完全跨越過溝槽時，機(jī)器人可以安全跨越。

圖10 跨越溝槽示意圖

根據(jù)機(jī)器人跨越溝槽示意圖得

式中：L為履帶驅(qū)動輪與重心之間的距離；r為履帶重心變化范圍的半徑；h為重心垂直高度；α為斜面角度，αmax=30°；帶入數(shù)值計算得，Lmax=500 mm。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計使履帶移動和履帶機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動互不干涉的履帶機(jī)構(gòu)，選擇適合消防要求的履帶。進(jìn)行履帶機(jī)構(gòu)在不同運動過程中受力分析，使機(jī)器人滿足復(fù)雜地形的技術(shù)要求。確定履帶行走系統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)，對傳動部件進(jìn)行簡化。

（2）對機(jī)器人直線運動、轉(zhuǎn)向運動、爬坡運動、爬樓梯過程、跨越溝槽等復(fù)合運動進(jìn)行分析。