姜 濤，郭安福，李 進，陳 清，張海琦

（聊城大學 機械與汽車工程學院，聊城 252059）

0 引言

隨著社會經濟的發(fā)展以及大型石油化工企業(yè)和隧道、地鐵等建設項目的不斷增加，危險化學品和放射性物質泄漏以及燃燒、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，如化工企業(yè)、紡織企業(yè)等，具有突發(fā)性強、燃燒猛烈等特點，并且火災過程中會產生大量的有毒氣體，嚴重地危害周圍群眾和救災人員的生命安全[4～6]。因此，研發(fā)成本低、功能強、經濟實用的消防滅火機器人具有重要意義。

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

近年來，我國的消防機器人研究得到了政府和有關部門的支持，如西北工業(yè)大學彭濤提出一種高空消防機器人模糊控制設計方案，但其移動速度和材料制備都有很大的難度[12]。南京林業(yè)大學的姜樹海設計了一種用于森林消防的六足機器人，但在其運動過程中關節(jié)力矩過大會對驅動電機造成一定程度的損害[13]。上海交通大學機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節(jié)式移動機器人控制系統(tǒng)，但目前仍停留于理論研究[14]。

綜合國內外消防機器人的研究現狀，發(fā)現目前對于老舊樓道、狹窄隧道的火災問題仍處于理論研究狀態(tài)，無法有效地對火災進行撲滅。

針對此問題，本文設計了一種可在四驅輪式和雙足步態(tài)行走自由切換，并可實現全方位噴射的消防機器人。首先對機器整體結構進行設計分析。其次，對主要零部件進行SolidWorks建模仿真分析，采用MATLAB/Simulink對行走裝置進行振動仿真分析。最后搭建樣機進行實驗，驗證裝置設計合理性。

1 結構設計與工作原理分析

1.1 整體結構設計

本機器主要由四驅行走裝置、步態(tài)行走裝置、滅火噴射裝置、轉臂執(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，其裝置整體設計如圖1所示。

圖1 機器整體結構圖

1.2 工作原理

機器的工作原理如圖2所示，其工作流程如下。

圖2 消防機器人工作原理圖

1）操作人員開啟機器、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，進入火災現場后，啟動道路與火源檢測模式。

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

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

4）循跡至火源位置后，消防機器人停止運動，開始定位火源，啟動滅火噴射裝置。

5）根據攝像頭采集的圖像，轉臂執(zhí)行裝置控制滅火噴射裝置對指定火源進行滅火噴射，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時采集圖像，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 消防機器人的結構設計

2.1 行走裝置的設計

本機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行走裝置和步態(tài)行走裝置兩部分。本設計在傳統(tǒng)的四驅輪式基礎上，增添步態(tài)行走模式，通過攝像頭對采集圖像進行處理，檢測道路模式，在平緩道路上切換至四驅輪式狀態(tài)，提高機器移動的速度，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 四驅行走裝置的設計

四驅行走裝置采用伸縮氣缸和麥克納姆輪相配合的設計，其三維模型如圖4所示。通過攝像頭采集圖像進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電機控制麥克納姆輪上下運動，改變運動方式。

圖4 四驅行走裝置模型圖

2.1.2 雙足行走裝置的設計

針對傳統(tǒng)消防機器人無法進入老舊樓道、狹窄隧道等地形復雜的地區(qū)的問題。本機器對行走裝置進行仿人型的足式步態(tài)設計，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 轉臂執(zhí)行裝置的設計

在整個系統(tǒng)結構中，轉臂執(zhí)行機構為本機器的獨特設計。轉臂執(zhí)行裝置由主轉臺、關節(jié)1、關節(jié)2、關節(jié)3、噴射器等組成。轉臂運行時，主轉臺旋轉，帶動關節(jié)1和關節(jié)2運動，關節(jié)3隨之做旋轉運動，控制安裝在關節(jié)3末端的機械臂做伸縮和旋轉運動，通過噴射器對火源形成有效的包圍圈。根據中央控制器STM32的指令信號，控制水泵和流量閥進行滅火，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 四驅行走裝置建模仿真

四驅行走裝置是本機器的核心裝置，為保證其穩(wěn)定性，本文采用SolidWorks對固定伸縮氣缸的U型支架進行Simulation靜應力分析，其結果如圖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力（N/m2）

σ為材料的最大變形應力（N/m2）

由以上數據可知設計的U型支架其應力遠小于材料屈服應力，滿足零件的設計要求，可保證氣缸在垂直方向的穩(wěn)定運行。

為進一步保證氣缸在垂直方向的運動穩(wěn)定性，采用Motion動力學對四驅行走裝置的軌跡路線進行分析，分析結果如圖8所示。由圖8可知車輪在垂直方向為線性運動，氣缸推桿的位移量為0.48m，運行時間為3.2s，運行速度為0.15m/s。

圖8 四驅行走裝置運動學分析

3.2 行走裝置的Simulink振動仿真分析

3.2.1 四自由度機器振動模型

機器在運動的過程中由于路面的不平度和車輪運動方向的轉變會導致局部產生劇烈的振動影響其穩(wěn)定性[15,16]。因此研究機器振動，對主要參數合理設計具有重大意義[17～19]。

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

圖9 4自由度振動模型

圖9中：

m為機器重量（kg）；

m1為前輪重量（kg）；

m2為后輪重量（kg）；

I為車身繞質心的轉動慣量（kg.m2）；

θ為機器質量轉角（rad）；

a、b為前后軸到質心的距離（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行受力分析，根據受力分析結果建立平衡方程如下。

機器受力平衡方程為：

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系：

前軸：

后軸：

整理式(1)～式(6)得：

將上式簡化為質量矩陣可得：

式中：

M為機器的質量矩陣；

Y為機器各自由度的位移量；

K為機器的剛度矩陣；

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)兩側同取拉斯變換可得：

化簡可得傳遞函數矩陣為：

用jw代替s算子可得機器的頻率響應函數。

3.2.2 四自由度機器振動分析

采用MATLAB/Simulink軟件，將上述4自由度振動模型轉化為計算機仿真模型，機器仿真參數如表1所示，仿真模型如圖10所示。

圖10 Simulink仿真模型圖

表1 機器仿真參數表

機器在運動過程中，由于路面模型和行駛速度的不同，造成的路面不平度激勵是不同的。為了更好的進行仿真實驗，將路面模型簡化為正弦曲線，其數學模型為y3=0.2sin（2πft），取f=10Hz得到的仿真結果如圖11所示。從圖11可以看出，機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 機器振動位移曲線

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

4 實驗驗證

輪足混合式消防機器人雙足行走裝置的樣機模型如圖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，本文在實驗室環(huán)境下對該消防機器人進行雙足步態(tài)算法、行走速度的實驗分析。消防機器人在一定區(qū)域內巡邏，通過雙足步態(tài)行走跨越障礙物。進行多組實驗測試機器人的平衡能力，實驗數據如表2所示，在伺服舵機分步執(zhí)行值x=100的條件下，改變機器人的轉角速度，進行多組實驗，實驗數據如表3所示。

圖12 消防機器人雙足行走轉置樣機模型

根據表2實驗結果可知采用該分步執(zhí)行步態(tài)算法其平衡率高達98.8%，相比于延時函數控制舵機其平衡能力增強3.6%，可減少事故的發(fā)生。由表3可知，舵機轉角速度越快，機器人摔倒的次數越多，平衡率越低。

表2 雙足步態(tài)算法實驗

表3 機器人轉角速度實驗

5 結語

1）對機器的整體結構進行設計，并對主要零部件行走裝置和轉臂執(zhí)行裝置進行結構設計。

2）采用三維SolidWorks進行建模仿真分析。對四驅行走裝置進行建模分析，通過靜力學應力分析可知其應力小于材料屈服應力，完全符合使用要求。采用Motion動力學對其運動軌跡進行分析，結果表明：下落時間為3.2s，運行速度為0.15m/s，可保證車輪在垂直方向的線性運動

3）對機器的行走裝置進行MATLAB/Simulink仿真分析，結果表明：機器最大的垂直自由度的振動位移量ymax=0.02059m。由此可知該設計的機器垂直自由度的振動位移量小，可保證機器在運動過程的平順性和穩(wěn)定性。

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