蘇毅

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各式各樣的可移動(dòng)機(jī)器人紛紛涌現(xiàn)，用以協(xié)助人類不同類型的工作，與我們的生活形成密不可分的關(guān)系。在人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用下，智能機(jī)器人發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，按照其功能類型可以分為消防機(jī)器人、救援機(jī)器人、拆除機(jī)器人以及爆破機(jī)器人等。

智能化消防機(jī)器人融合了多種現(xiàn)代技術(shù)，將機(jī)械理論、計(jì)算機(jī)理論、人工智能以及控制技術(shù)等應(yīng)用于消防機(jī)器人中，使其具備識(shí)別和判斷能力，能夠精準(zhǔn)把控災(zāi)情發(fā)展情況。消防機(jī)器人能夠在火災(zāi)發(fā)生后第一時(shí)間進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援，從而緩解消防人員緊缺的問(wèn)題，并且能夠在快速獲取火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況的前提下深入現(xiàn)場(chǎng)，保證后續(xù)消防工作者的生命安全。

現(xiàn)階段使用較多的是輪式和履帶式消防機(jī)器人，其能夠在較為平坦的地面上快速收集場(chǎng)景內(nèi)信息，但由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境時(shí)時(shí)處于動(dòng)態(tài)變化之中，這就增加了消防機(jī)器人的移動(dòng)距離和所需時(shí)間，采用上述兩類機(jī)器人難以有效收集和整理相關(guān)信息。有鑒于此，本文研究輪腿式六足智能消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法，為消防機(jī)器人的移動(dòng)軌跡進(jìn)行合理規(guī)劃。

1 輪腿式六足智能消防機(jī)器人設(shè)計(jì)方法

1.1 設(shè)置輪腿式六足機(jī)器人各腿受力參數(shù)

根據(jù)機(jī)器人的構(gòu)造一般可以分為輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、足式機(jī)器人，足式機(jī)器人擁有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，能夠較差的環(huán)境下保持良好的機(jī)動(dòng)性能，即使是在有阻礙物的地面上或是惡劣的自然環(huán)境中，其整體性能也會(huì)優(yōu)于輪式機(jī)器人或履帶式機(jī)器人，擁有更強(qiáng)的越障能力。

將足式結(jié)構(gòu)融入輪式機(jī)器人，需要對(duì)其腿部的不同位置進(jìn)行受力點(diǎn)分析和設(shè)置，以此完成行進(jìn)路徑的合理規(guī)劃，使其在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠迅速到達(dá)指定火點(diǎn)位置，提升消防機(jī)器人的綜合性能。對(duì)輪腿式六足智能機(jī)器人的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，具體數(shù)值如表1所示。

表1 輪腿式六足智能機(jī)器人參數(shù)

根據(jù)表中內(nèi)容，此次在無(wú)線傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)智能消防機(jī)器人的行進(jìn)軌跡進(jìn)行定位設(shè)計(jì)。在其支撐腿末端離開(kāi)地面時(shí)，足端需要一個(gè)擺動(dòng)范圍，根據(jù)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，聯(lián)系各個(gè)關(guān)節(jié)的情況，定義不同情況下各個(gè)腿受力后足端的擺動(dòng)變換范圍，按照運(yùn)動(dòng)學(xué)的行進(jìn)軌跡進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 輪腿式六足智能機(jī)器人模擬圖

1.2 正向運(yùn)動(dòng)學(xué)定義消防機(jī)器人擺腿范圍

將消防機(jī)器人的單腿和關(guān)節(jié)與基體連接處，設(shè)定為慣性坐標(biāo)系用來(lái)表示，該坐標(biāo)系的原點(diǎn)為，足端對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系為工具坐標(biāo)系用來(lái)表示，坐標(biāo)系的原點(diǎn)為。

分別對(duì)機(jī)器人的跟關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)以及膝關(guān)節(jié)進(jìn)行標(biāo)記，在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的角度位置，表示為、和。

按照正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論進(jìn)行分析，在機(jī)器人的對(duì)應(yīng)單腿完全伸展時(shí)，表示為位置的初始形態(tài)，可以將慣性坐標(biāo)系和工具坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

此時(shí)各運(yùn)動(dòng)角度取值分別為=0、=0、=0，表達(dá)式為：

其中，輪腿式六足智能消防機(jī)器人的總腿用來(lái)表示，機(jī)器人的本體位置用來(lái)f表示，各個(gè)關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)變量在足端慣性坐標(biāo)系下所處的位置，用f來(lái)表示。

基于右手定義規(guī)則進(jìn)行各關(guān)節(jié)距離設(shè)定，跟關(guān)節(jié)到髖關(guān)節(jié)的距離用來(lái)表示，跟關(guān)節(jié)到大腿的距離用來(lái)表示，跟關(guān)節(jié)到小腿的距離用來(lái)表示。對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行設(shè)定，分別為：

其中：關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)量用來(lái)表示。取坐標(biāo)軸上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位，按照坐標(biāo)位置進(jìn)行轉(zhuǎn)換，表達(dá)式為：

將對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系下跟關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)量，轉(zhuǎn)化完成的指數(shù)關(guān)系數(shù)值分別用u、u、u來(lái)表示。對(duì)不同情況下的各個(gè)腿部關(guān)節(jié)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，以此確定足部末端的運(yùn)動(dòng)軌跡范圍。

在設(shè)置輪腿式六足機(jī)器人各腿受力點(diǎn)的前提下，根據(jù)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)理論定義消防機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)擺腿范圍，完成輪腿式六足智能消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用效果，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行論證。選擇兩組傳統(tǒng)的機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比，分別為輪式消防機(jī)器人和履帶式消防機(jī)器人。

2.1 選擇實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境

本文設(shè)計(jì)的六足式智能消防機(jī)器人，主要目的是它在路面崎嶇不平的場(chǎng)景中依然能夠?qū)崿F(xiàn)良好的路徑規(guī)劃和選擇性能。對(duì)其綜合情況進(jìn)行測(cè)試，以不同垂直高度的樓梯高度作為變量，在MATLAB 測(cè)試平臺(tái)中擬建實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境。

此次選擇樓梯作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，對(duì)不同類型的智能消防機(jī)器人進(jìn)行性能測(cè)試。本次測(cè)試主要分為兩個(gè)階段：

（1）測(cè)試智能消防機(jī)器人的平穩(wěn)性能，即檢測(cè)機(jī)器人在爬樓梯的過(guò)程中，其重心軌跡是否能保持連貫性，驗(yàn)證三組機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定性能。

（2）在機(jī)器人攀爬樓梯的整個(gè)過(guò)程中設(shè)定火災(zāi)情況，在樓梯中設(shè)置障礙物，以此判斷智能消防機(jī)器人是否可以改變行進(jìn)軌跡，以較快的速度到達(dá)終點(diǎn)。

2.2 智能消防機(jī)器人重心軌跡變化對(duì)比

對(duì)擬定的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行分類，分別模擬常規(guī)場(chǎng)景和火災(zāi)有障礙的場(chǎng)景，測(cè)試不同類型智能消防機(jī)器人的行進(jìn)軌跡是否有偏移重心的情況，以及測(cè)試在出現(xiàn)路障時(shí)機(jī)器人是否能改變行進(jìn)軌跡，迅速到達(dá)指定位置進(jìn)行救援。

將三組智能消防機(jī)器人依次連接到測(cè)試平臺(tái)中，首先按照沒(méi)有路障的情況完成行進(jìn)軌跡，設(shè)置擬建的樓梯起始點(diǎn)到終點(diǎn)的距離，水平距離為4 800 mm，垂直高度為1 600 mm。樓梯共包含8 組臺(tái)階，對(duì)其距離和高度進(jìn)行平均分配，在指定的起始點(diǎn)和終點(diǎn)連線上進(jìn)行重心軌跡測(cè)試，具體情況如圖2所示。

圖2 不同消防機(jī)器人重心軌跡變化對(duì)比結(jié)果

從圖2中可以看出，在此次重心軌跡測(cè)試過(guò)程中，將三組機(jī)器人的初始轉(zhuǎn)速均設(shè)置為π，其與樓梯表面產(chǎn)生的靜摩擦系數(shù)為0.6。兩組常規(guī)模式下的消防機(jī)器人，在攀爬到樓梯中間位置時(shí)發(fā)生了一段時(shí)間的重心停頓現(xiàn)象，且重心軌跡的變化幅度較大，說(shuō)明上述兩組機(jī)器人已經(jīng)偏離了既定的軌跡線路，其穩(wěn)定性較差。

從本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人來(lái)看，其重心軌跡與樓梯的走向相一致，具有良好的攀爬性能，且可以在較為平穩(wěn)的狀態(tài)下完成軌跡行進(jìn)。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，此次設(shè)計(jì)的輪腿式六足智能消防機(jī)器人，在攀爬樓梯的過(guò)程中能夠保持重心軌跡的連貫性，具有實(shí)際應(yīng)用效果。

2.3 智能消防機(jī)器人路徑規(guī)劃時(shí)間對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文機(jī)器人的性能，在上述測(cè)試完畢后，模擬小型火災(zāi)場(chǎng)景，即在樓梯終點(diǎn)處模擬火苗燃燒場(chǎng)景，且在火苗燃燒過(guò)程中會(huì)下落不同大小的障礙物。機(jī)器人在遇見(jiàn)火災(zāi)障礙物時(shí)，若能瞬時(shí)重新擬定其行進(jìn)軌跡，即可以保證在較短時(shí)間內(nèi)到達(dá)火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，不會(huì)影響救援工作的開(kāi)展。設(shè)置軌跡行進(jìn)時(shí)間在0.15 s 以內(nèi)均符合救援標(biāo)準(zhǔn)，將三組機(jī)器人放置在該環(huán)境中，進(jìn)行軌跡規(guī)劃的時(shí)間測(cè)試，具體情況如表2所示。

表2 不同類型智能消防機(jī)器人路徑規(guī)劃時(shí)間（s）

根據(jù)表中的內(nèi)容，本文設(shè)計(jì)的輪腿式六足智能消防機(jī)器人，在針對(duì)障礙物進(jìn)行軌跡重建時(shí)，對(duì)路徑的規(guī)劃時(shí)間平均為0.04 s，符合救援工作標(biāo)準(zhǔn)，且遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定極值，而兩組常規(guī)化機(jī)器人的平均軌跡重建時(shí)間分別為0.21 s 和0.36 s，均不能滿足救援工作標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單純的輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人，在崎嶇路況下不能快速地完成軌跡規(guī)劃，影響整體救援速度。而本文設(shè)計(jì)的輪腿式六足機(jī)器人，既保留了原有輪式機(jī)器人的性能，又提升了其爬坡穩(wěn)定性，可以快速進(jìn)行行進(jìn)軌跡規(guī)劃，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

本文將消防機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)分類，并在原有輪式機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，設(shè)計(jì)了輪腿式六足智能消防機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的輪腿式六足機(jī)器人在爬坡過(guò)程中其重心軌跡與樓梯輪廓相一致，具備良好的穩(wěn)定性能。對(duì)障礙物路段的軌跡重建時(shí)間平均為0.04 s，符合救援應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。但由于本人的時(shí)間有限，在研究過(guò)程中所選擇的樣本測(cè)量形式較少，所得結(jié)果具有一定的偏差性，后續(xù)會(huì)針對(duì)此內(nèi)容進(jìn)行更加深入的研究，為智能消防機(jī)器人的發(fā)展和設(shè)計(jì)提供理論支持。