□ 張洪赫 □ 劉玉梅 □ 卜春光 □ 范曉亮 □ 眭 晉

1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 沈陽 110158 2.中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所 沈陽 110016

1 分析背景

由于城市的獨(dú)特環(huán)境和一些突發(fā)事件的特殊性,導(dǎo)致某些社會(huì)救援活動(dòng)只能由機(jī)器人來完成。救援移動(dòng)機(jī)器人具有可移動(dòng)、自動(dòng)導(dǎo)航、多傳感器控制、網(wǎng)絡(luò)交互、行為控制執(zhí)行、決策規(guī)劃等多種功能,是一個(gè)綜合系統(tǒng)[1],如何在樓宇環(huán)境中使用救援機(jī)器人,成為近年來的研究熱點(diǎn)。樓梯是樓宇環(huán)境中最常見的障礙,救援移動(dòng)機(jī)器人在工作中經(jīng)常需要攀爬樓梯,爬梯成為救援移動(dòng)機(jī)器人適應(yīng)結(jié)構(gòu)化環(huán)境所必備的功能之一[2]。現(xiàn)存相關(guān)文獻(xiàn)大部分是關(guān)于救援移動(dòng)機(jī)器人爬梯機(jī)械結(jié)構(gòu)與爬梯過程穩(wěn)定性的研究,筆者重點(diǎn)分析前擺腿履帶式救援移動(dòng)機(jī)器人的爬梯機(jī)理,以及救援移動(dòng)機(jī)器人在上下樓梯時(shí)的步態(tài),并通過試驗(yàn)驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性。

2 救援移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

救援移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括車體、機(jī)械腰腹,以及位于車身兩側(cè)且對(duì)稱分布的左右擺腿。采用以上結(jié)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)使左右擺腿運(yùn)動(dòng),改變救援移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),從而使救援移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)越障運(yùn)動(dòng)。機(jī)械腰腹位于車體上,可以加載機(jī)械手等其它機(jī)械結(jié)構(gòu),使救援移動(dòng)機(jī)器人能夠應(yīng)用于各種不同環(huán)境與場(chǎng)合。通過機(jī)械腰腹的前后俯仰,可以改變救援移動(dòng)機(jī)器人的質(zhì)心位置,履腿復(fù)合結(jié)構(gòu)則具有較強(qiáng)的受力能力。總體而言，救援移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰,易于控制,變形靈活[3]。

圖1 救援移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

3 爬梯構(gòu)型

救援移動(dòng)機(jī)器人在樓宇環(huán)境中需要具有一定的越障功能,包括翻越臺(tái)階、在樓梯面行走、回歸地面等。為實(shí)現(xiàn)以上越障功能,設(shè)計(jì)了救援移動(dòng)機(jī)器人的特定構(gòu)型[4-5]。

重點(diǎn)分析翻越臺(tái)階。救援移動(dòng)機(jī)器人翻越臺(tái)階脫離地面構(gòu)型如圖2所示,L1為關(guān)節(jié)擺腿履帶的有效接地長(zhǎng)度，H為臺(tái)階高度,實(shí)現(xiàn)翻越臺(tái)階的幾何條件為L(zhǎng)1>H。

圖2 救援移動(dòng)機(jī)器人脫離地面構(gòu)型

幾何條件可以描述為只要關(guān)節(jié)擺腿履帶的有效接地長(zhǎng)度大于臺(tái)階高度,就可以有一個(gè)合適的角度使關(guān)節(jié)擺腿搭到臺(tái)階面,從而為將救援移動(dòng)機(jī)器人抬離地面做好準(zhǔn)備。

救援移動(dòng)機(jī)器人翻越臺(tái)階脫離地面力學(xué)條件如圖3所示。將機(jī)器人的力學(xué)模型簡(jiǎn)化為三根相鉸接的桿件AB、BC、DE,AB桿件為擺腿,BC桿件為車體,DE桿件為機(jī)械腰腹,B、E兩點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。筆者對(duì)救援移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械腰腹進(jìn)行部分簡(jiǎn)化,使其與救援移動(dòng)機(jī)器人主體融為一體,即桿件BCD為救援移動(dòng)機(jī)器人主體,通過機(jī)械腰腹的前后俯仰,改變桿件的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角,進(jìn)而改變救援移動(dòng)機(jī)器人的質(zhì)心位置，更好地進(jìn)行爬梯[6]。圖3中,機(jī)械腰腹質(zhì)心位置為p3,自重為G3,通過機(jī)械腰腹的擺動(dòng),改變機(jī)器人主體的質(zhì)心位置p1。

圖3 救援移動(dòng)機(jī)器人脫離地面力學(xué)條件

救援移動(dòng)機(jī)器人車體脫離地面的瞬間,可描述為AB桿件繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)與BC桿件繞動(dòng)B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)相結(jié)合的過程。將救援移動(dòng)機(jī)器人整體作為研究對(duì)象,N1為地面對(duì)救援移動(dòng)機(jī)器人的支撐力,N2為臺(tái)階面對(duì)關(guān)節(jié)擺腿的支撐力,G1為車體自重,G2為關(guān)節(jié)擺腿自重,a1為車體質(zhì)心加速度,a2為關(guān)節(jié)擺腿質(zhì)心加速度,F1與M1分別為車體慣性力向質(zhì)心簡(jiǎn)化后的慣性力主矢和主矩,F2與M2分別為關(guān)節(jié)擺腿慣性力向轉(zhuǎn)動(dòng)中心簡(jiǎn)化后的慣性力主矢和主矩,f1與f2為地面對(duì)救援移動(dòng)機(jī)器人的摩擦力,根據(jù)達(dá)朗貝爾原理[7],實(shí)現(xiàn)爬梯第一步的力學(xué)條件為:

∑Mc(F)=0

N2L3+f2L5+M2-F2L3-G2L2-F1L4

-G1L6-M1=0

由以上分析可以得出,實(shí)現(xiàn)救援移動(dòng)機(jī)器人翻越臺(tái)階與臺(tái)階的高度、關(guān)節(jié)擺腿的長(zhǎng)度和質(zhì)心位置、車體的長(zhǎng)度和質(zhì)心位置、驅(qū)動(dòng)輪的半徑和質(zhì)量、關(guān)節(jié)擺腿的驅(qū)動(dòng)力矩、接觸面的性質(zhì)有關(guān)。關(guān)節(jié)擺腿的驅(qū)動(dòng)力矩越大,接觸面越粗糙,救援移動(dòng)機(jī)器人就越容易實(shí)現(xiàn)爬梯第一步。在救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)量不變的條件下,車體加長(zhǎng)，整體質(zhì)心位置向C點(diǎn)靠近，履帶驅(qū)動(dòng)輪半徑增大,都有利于爬梯第一步的實(shí)現(xiàn)。其中,救援移動(dòng)機(jī)器人整體質(zhì)心向C點(diǎn)靠近可以依靠機(jī)械腰腹向后擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然,關(guān)節(jié)擺腿的長(zhǎng)度變化對(duì)翻越臺(tái)階的影響最為復(fù)雜,在其它因素都不變的情況下,設(shè)關(guān)節(jié)擺腿的驅(qū)動(dòng)力矩為M,則近似有:

(1)

α=arcsin[(H-R)/L1]

(2)

由式(1)、式(2)可知,必然會(huì)有一個(gè)合適的關(guān)節(jié)擺腿長(zhǎng)度L1,使N2L3最大,進(jìn)而使救援移動(dòng)機(jī)器人更容易翻越臺(tái)階。救援移動(dòng)機(jī)器人翻越臺(tái)階脫離地面是成功爬梯的基礎(chǔ),救援移動(dòng)機(jī)器人翻越臺(tái)階的關(guān)鍵點(diǎn)為整體質(zhì)心越過臺(tái)階面。救援移動(dòng)機(jī)器人翻越臺(tái)階脫離地面過程極限狀態(tài)如圖4所示,以車體后輪的軸心O為原點(diǎn),救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心在笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(X0,Y0),后輪半徑為R,救援移動(dòng)機(jī)器人與地面的夾角為θ,則救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心越過臺(tái)階面的幾何條件可近似表達(dá)為:

圖4 救援移動(dòng)機(jī)器人脫離地面極限狀態(tài)

X0-(R+Y0)tanθ>H/sinθ

(3)

救援移動(dòng)機(jī)器人翻越臺(tái)階脫離地面極限狀態(tài)力學(xué)條件如圖5所示。將救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心越過臺(tái)階面的瞬間看作繞Q點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng),f3為臺(tái)階面對(duì)救援移動(dòng)機(jī)器人的牽引力,f4為地面對(duì)救援移動(dòng)機(jī)器人的牽引力,J為救援移動(dòng)機(jī)器人繞Q點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ω為救援移動(dòng)機(jī)器人繞Q點(diǎn)的瞬間轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,則力學(xué)條件可以表達(dá)為:

圖5 救援移動(dòng)機(jī)器人脫離地面極限狀態(tài)力學(xué)條件

[f3H/(sinθtanθ)+f4H/sin2θ

-GH/sinθ]Δt=Jω

(4)

幾何條件給出了救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心越過臺(tái)階面所需要的角度θ,力學(xué)條件給出了救援移動(dòng)機(jī)器人自身抬高到角度θ所需要的驅(qū)動(dòng)力。由式(3)、式(4)可以得出,救援移動(dòng)機(jī)器人的質(zhì)心位置與履帶輪的半徑是影響救援移動(dòng)機(jī)器人能否翻越臺(tái)階的主要因素,減小履帶輪半徑,降低與前移救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心，都有利于救援移動(dòng)機(jī)器人翻越臺(tái)階[8]。其中，救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心位置改變可以通過機(jī)械腰腹俯仰運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn),履帶輪半徑在設(shè)計(jì)之初就需要考慮。

救援移動(dòng)機(jī)器人長(zhǎng)度如圖6所示。救援移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在樓梯面上行走,主要與長(zhǎng)度有關(guān)。

圖6 救援移動(dòng)機(jī)器人長(zhǎng)度

L7為車體有效接地長(zhǎng)度,T為臺(tái)階樓梯寬度,只有滿足式(5),救援移動(dòng)機(jī)器人才可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)爬梯。其中,車體有效接地長(zhǎng)度近似等于履帶有效接地長(zhǎng)度。

(5)

通過以上分析得到前擺腿履帶式救援移動(dòng)機(jī)器人可連續(xù)爬梯的必要條件，救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心位置、履帶輪半徑、擺腿與車體長(zhǎng)度都會(huì)影響救援移動(dòng)機(jī)器人的爬梯性能。這些影響因素不具有單調(diào)性,因此要提高救援移動(dòng)機(jī)器人的爬梯性能,可以在考慮客觀條件的前提下,以上述影響因素為依據(jù),對(duì)救援移動(dòng)機(jī)器人的爬梯姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

4 爬梯步驟

對(duì)救援移動(dòng)機(jī)器人爬梯姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化之后,在爬梯過程中,由于重力的作用,會(huì)造成救援移動(dòng)機(jī)器人與樓梯臺(tái)階面撞擊。這種撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)不僅會(huì)造成救援移動(dòng)機(jī)器人損壞,而且會(huì)大大降低救援移動(dòng)機(jī)器人在爬梯時(shí)的穩(wěn)定性。為了盡量減小撞擊產(chǎn)生的振動(dòng),規(guī)劃了如圖7所示救援移動(dòng)機(jī)器人爬梯步驟[9]。

圖7 救援移動(dòng)機(jī)器人爬梯步驟

救援移動(dòng)機(jī)器人爬梯步驟共有八步。從救援移動(dòng)機(jī)器人接觸臺(tái)階開始，第一步,將擺腿向上抬起,選擇一個(gè)適合的角度將擺腿搭在臺(tái)階面上。第二步,擺腿向下運(yùn)動(dòng)，直至擺腿下的履帶與主體下的履帶平行,機(jī)械腰腹向前擺動(dòng),控制救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心位置向前。第三步,機(jī)械腰腹擺動(dòng)，保證救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心穩(wěn)定,救援移動(dòng)機(jī)器人開始爬梯,在臺(tái)階面上行走。第四步,救援移動(dòng)機(jī)器人擺腿到最后一階臺(tái)階。第五步,救援移動(dòng)機(jī)器人繼續(xù)行走,履帶輪到達(dá)最后一階臺(tái)階。第六步,擺腿向下運(yùn)動(dòng),直至擺腿接觸地面。第七步,救援移動(dòng)機(jī)器人繼續(xù)行走,主體后履帶到達(dá)最后一階臺(tái)階回歸地面,機(jī)械腰腹向后擺動(dòng),保證救援移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)心位置向后偏移,方便救援移動(dòng)機(jī)器人回歸水平行走姿態(tài)。第八步,擺腿向上運(yùn)動(dòng),機(jī)械腰腹向后擺動(dòng),救援移動(dòng)機(jī)器人姿態(tài)恢復(fù)為水平地面行走[10]。

5 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述分析的正確性,進(jìn)行了救援移動(dòng)機(jī)器人的仿真驗(yàn)證。

仿真試驗(yàn)使用虛擬樣機(jī)分析軟件RecurDyn對(duì)救援移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行建模,并通過搭建仿真樓梯進(jìn)行試驗(yàn)。

RecurDyn軟件搭載了許多使用模組,使用系統(tǒng)工具包Track建立救援移動(dòng)機(jī)器人虛擬樣機(jī),使用Ground模組搭建樓梯地形。

救援移動(dòng)機(jī)器人爬梯仿真的過程和試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 救援移動(dòng)機(jī)器人爬梯仿真試驗(yàn)

所采用的爬梯步驟有效減小了撞擊產(chǎn)生的振動(dòng),提高了救援移動(dòng)機(jī)器人爬梯的穩(wěn)定性,同時(shí)也驗(yàn)證了所分析的爬梯條件的正確性。

6 結(jié)束語

筆者對(duì)前擺腿履帶式救援移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了爬梯構(gòu)型分析,提出了連續(xù)爬梯的必要條件，并通過仿真試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。所做分析為在救援移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)初始階段如何確定關(guān)鍵尺寸、計(jì)算所需驅(qū)動(dòng)力、進(jìn)行爬梯姿態(tài)調(diào)整提供了借鑒。通過機(jī)械腰腹與擺腿的運(yùn)動(dòng),改變救援移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài),實(shí)現(xiàn)了攀爬樓梯。

當(dāng)然，要使救援移動(dòng)機(jī)器人真正滿足使用要求,還需要對(duì)其步態(tài)和能耗進(jìn)行優(yōu)化,使其性能真正達(dá)到最優(yōu)。