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(cè)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(xiǎn)事件，具有解決困難、發(fā)生突然和起勢(shì)極快等特點(diǎn)。并且森林防火及其檢測(cè)難度都較大，單靠人力檢測(cè)與防治難度大、成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度高和風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)器人結(jié)合輪式和履帶式的運(yùn)動(dòng)優(yōu)點(diǎn)可以適應(yīng)復(fù)雜路面的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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(duì)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(dòng)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(gè)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(guó)內(nèi)外的研究情況，目前的森林監(jiān)測(cè)的自動(dòng)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(jià)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(duì)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(duì)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(cè)時(shí)更好地行進(jìn)。

1 森林防火機(jī)器人履帶平臺(tái)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(duì)森林防火機(jī)器人的履帶平臺(tái)為研究對(duì)象，機(jī)器人的控制裝置不做詳細(xì)的介紹。履帶平臺(tái)主要由輔助履帶、主動(dòng)輪、平臺(tái)主體、搭載配件、輔助變形輪、從動(dòng)輪、減震輪和主履帶組成；通過平臺(tái)主體中的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)履帶在越障時(shí)的各種變形；為了減少履帶運(yùn)行時(shí)的阻力，增加張緊力，履帶選用后置驅(qū)動(dòng)；保證輔助變形輪不出現(xiàn)在履帶內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)卡死的情況，在安裝電力推桿的同時(shí)加裝彈簧阻尼，并在擺桿上加裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)；同時(shí)為減輕履帶行進(jìn)時(shí)的振動(dòng)，履帶平臺(tái)采用了一種阻尼彈簧結(jié)構(gòu)的減震輪。履帶平臺(tái)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(dòng)輪；3-平臺(tái)主體；4-搭載配件；5-從動(dòng)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(tái)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(tái)越障時(shí)更好地增加與地面的接觸面，提高了運(yùn)動(dòng)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(dòng)點(diǎn)，通過橢圓的規(guī)律可知P1F1+P1F2=2a，并且在F1、F2確定時(shí)，三角形F1P1F2的周長(zhǎng)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(dòng)輪和主動(dòng)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(dòng)，履帶的長(zhǎng)度近似為此橢圓軌跡內(nèi)構(gòu)成的三角形F1P1F2的周長(zhǎng)，且因?yàn)槁膸Ь哂幸欢◤椥?，可相?dāng)于長(zhǎng)度基本不變。通過液壓桿的連續(xù)伸縮驅(qū)動(dòng)OP1臂轉(zhuǎn)動(dòng)，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(tái)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(tái)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(shì)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(jiǎn)化，通過較為簡(jiǎn)單的模型對(duì)越障能力進(jìn)行分析。

2.1 攀爬階梯分析

履帶平臺(tái)攀爬階梯的過程如圖3所示，其整個(gè)過程可主要分為3個(gè)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(gè)森林防火機(jī)器人履帶平臺(tái)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(gè)平臺(tái)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(duì)本履帶平臺(tái)能攀爬的最大高度進(jìn)行分析計(jì)算。

圖3 履帶平臺(tái)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(gè)履帶平臺(tái)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(tái)的質(zhì)心G0位置為：

(1)

式中：m1、m2、m3分別為履帶平臺(tái)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(zhǎng)度；G1、G2、G3分別為履帶平臺(tái)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(duì)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(tái)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(tái)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(gè)過程可分為3個(gè)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(gè)森林防火機(jī)器人履帶平臺(tái)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(gè)平臺(tái)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(duì)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(tái)達(dá)到圖5中(b)位置時(shí)，可能出現(xiàn)2種情況。

圖5 履帶平臺(tái)翻越溝壑過程圖

(1)履帶平臺(tái)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(shí)履帶平臺(tái)會(huì)出現(xiàn)圖6的臨界狀態(tài)，履帶平臺(tái)總質(zhì)心在左溝壑邊緣的延長(zhǎng)線上。

由圖6可知，履帶平臺(tái)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(shí)，履帶平臺(tái)的總質(zhì)心達(dá)到該位置時(shí)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(tái)在總質(zhì)心未越過左邊緣且剛要越過時(shí)，前段從動(dòng)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(shí)的溝壑長(zhǎng)度為：

(7)

通過公式(7)可知履帶平臺(tái)的溝壑極限長(zhǎng)度為：

(8)

當(dāng)α=π，θ→0°時(shí)，履帶平臺(tái)的總質(zhì)心達(dá)到該位置時(shí)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(dòng)和計(jì)算會(huì)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(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

3.1 建立仿真虛擬樣機(jī)分析平臺(tái)

在Solidworks中對(duì)整個(gè)森林防火機(jī)器人履帶平臺(tái)進(jìn)行三維建模，完成對(duì)于整個(gè)履帶平臺(tái)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(gè)模型的運(yùn)動(dòng)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(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)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(jiǎn)化后的模型如圖8所示。

圖8 森林防火機(jī)器人履帶平臺(tái)簡(jiǎn)化模型

模型導(dǎo)入Adams后，先添加重力以及各個(gè)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(tái)在搭載設(shè)備時(shí)的狀況，將車主體部分質(zhì)量定義為120 kg。之后對(duì)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(huì)使整個(gè)約束過程非常繁瑣，并且一旦有任意約束出現(xiàn)錯(cuò)誤都會(huì)影響仿真結(jié)果，所以本文最終選擇圖8的簡(jiǎn)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(dòng)的效果。對(duì)履帶進(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)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(tái)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(tái)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(jiǎn)化為臺(tái)階，設(shè)置高度為200 mm的單臺(tái)階進(jìn)行仿真，并添加驅(qū)動(dòng)力矩，利用STEP函數(shù)對(duì)履帶平臺(tái)的攀爬各階段的變形進(jìn)行控制，主要分為3個(gè)階段：一為前方輔助變形輪的垂直位置與臺(tái)階接觸時(shí)，輔助變形輪在輔助伸縮桿的作用下順時(shí)針擺動(dòng)，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(dòng)輪接觸臺(tái)階面后，輔助變形輪在輔助伸縮桿的作用下逆時(shí)針擺動(dòng)使前從動(dòng)輪著地；最后是當(dāng)整體總質(zhì)心達(dá)到臺(tái)階邊緣處時(shí)，后輔助履帶逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)將后主動(dòng)輪撐起。通過這3個(gè)階段的履帶變化實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)的攀爬過程。其仿真過程如圖9所示。

圖9 攀爬時(shí)履帶平臺(tái)仿真過程圖

由圖9可知，森林防火機(jī)器人履帶平臺(tái)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(tái)在攀爬過程中其前履帶伸縮桿和后方輔助履帶的驅(qū)動(dòng)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(tái)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(tái)所需驅(qū)動(dòng)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(shí)前履帶伸縮桿的驅(qū)動(dòng)力矩

圖11 攀爬時(shí)后方輔助履帶的驅(qū)動(dòng)力矩

在攀爬高地時(shí)，其重心的穩(wěn)定性也直接影響履帶平臺(tái)的行進(jìn)和防火作業(yè)，在設(shè)計(jì)時(shí)要使其重心的變化更小。本履帶平臺(tái)在行進(jìn)時(shí)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(tái)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(dòng)力矩并利用STEP函數(shù)對(duì)履帶平臺(tái)的跨越過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，其跨越溝壑的過程如圖12所示。

圖12 跨越時(shí)履帶平臺(tái)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(tái)可以成功跨越255 mm的溝壑，對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行后處理，可以得到履帶平臺(tái)在跨越過程中其前履帶伸縮桿驅(qū)動(dòng)力變化情況，如圖13所示。

由圖13可知，履帶平臺(tái)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(dòng)。履帶平臺(tái)所需驅(qū)動(dòng)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(shí)前履帶伸縮桿的驅(qū)動(dòng)力矩

4 結(jié)論

本文研究的森林防火機(jī)器人履帶平臺(tái)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(duì)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(tái)。

(2)建立了履帶平臺(tái)攀爬高地和跨越溝壑的動(dòng)力學(xué)模型，通過運(yùn)動(dòng)過程中的幾何關(guān)系計(jì)算出了履帶平臺(tái)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(dòng)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(dòng)過程中的驅(qū)動(dòng)力矩，確保了電機(jī)選擇的合理性，驗(yàn)證了履帶平臺(tái)的越障性能。