消防机器人行走系统发展初探

摘 要：作为特种机器人之一的消防机器人，其结构系统主要包括行走系统、动力传动系统和搭载系统。由于其特殊的工作环境消防机器人的行走系统显得极其关键。在对消防机器人行走系统的分类和发展进行介绍基础上，结合国内外发展状况，重点介绍了履带式行走系统，并参考其他履带式机械行走系统的结构和性能特点，对履带式行走系统的机动性能研究现状进行了阐述。最后预测了消防机器人行走系统的发展趋势。

关键词：消防机器人；行走系统；发展

1 概述

消防机器人则是属于机器人家族中进行特种作业的机器人，可替代消防救援人员进入有毒、有害、易坍塌、缺氧、浓烟、放射性等危险灾害现场进行探测、灭火、救灾等消防救援工作[1]。消防机器人的关键技术主要包括：机械结构、控制技术、传感技术等。功能作用主要有：越障、爬坡、侦测、控制处理通信、灭火、救援、防爆等[2]。消防机器人的机械机构系统主要包括行走系统、动力传动系统和搭载系统。其中行走系统在移动式机器人系统中占据着极其重要的地位。对于消防机器人而言由于其特殊的工作环境消防机器人的行走系统显得极其重要。

2 消防机器人行走系统研究现状[3]～[8]

机器人的行走系统经过近四十年的发展，已从轮式发展到履带式、腿足式、轮履复合式等行走方式。

2.1 轮式行走系统

常见的轮式行走机构有三轮、四轮、五轮、六轮等。该移动机构运动速度高，控制简单。但牵引附着性能差，在坡地、粘重、潮湿地及沙土地的使用受到一定的限制，易产生的打滑和沉陷。故轮式机构不宜在复杂环境下工作[6]。

2.2 腿足式行走系统

腿足式行走系统一般依据仿生学原理。常见的主要有两足、四足、六足等结构形式。该结构优点是适合在多种路况的路面行走，机动性灵活，可轻易越过大跨度障碍和松软地面。其缺点是结构形式复杂、运行速度慢、控制较难，应用较少，多数尚处于实验阶段[6]。

2.3 履带式行走系统

履带是人类继发明车轮之后又一进步，使得车辆与地面的接触由“线”到“面”。一般而言履带式行走装置由履带、履带架、台车架等组成。履带总成一般由履带板、驱动轮、支重轮、托带轮和导向轮组成。履带架分为整体式与分离式两种。整体式履带架结构组成一般为“四轮一带”，即驱动轮、导向轮、支重轮、拖链轮和履带链板，和张紧装置、底座和平衡梁等。分体式履带单元一般采用三段履带架，其履带的驱动轮、导向轮和个别拖链轮直接装在平衡梁上[5]。履带式行走机构具有有一系列优点：地面的承压力、滚动阻力和陷度均较小；通过性能好，转弯半径较小；牵附性能好，不易打滑；越野机动性等性能较好[6]。履带式行走系的出现则提高了机器人的越障性、稳定性和通过性。这对于消防机器人而言具有重要意义，因此在消防机器人中采用履带式行走装置的占绝大多数，对履带式行走装置的应用和研究较为深入，一些其他履带式车辆对履带式行走装置的研究对消防机器人而言也具有可参考意义。履带式行走机构的结构形式可分为单节双履带式、双节四履带式、多节多履带式、多节轮履复合式等几种形式。其各种结构形式的特点如下[6]：

单节双履带式：结构简单，驱动控制方便；但在越障爬梯过程中优势发挥不明显。

双节四履带式：机器人稳定性和越障能力均较高。但对机器人的摆臂驱动控制部分提出了更高的要求[6]。

多节多履带式是指节数多于或等于三节，具有三条和三条以上的履带行走装置。根据行走装置布置行式可分为三节三履带式、三节六履带式、三节12履带式、四节四履带式等。目前主要应用在大型矿山机械中如大型斗轮挖掘机，履带条数达16条。

多节轮履复合式：轮履复合式一般为三节，中间为轮式，两端为履带摆臂，将轮式的快速性和履带式良好的地面适应性结合起来。此种结构的轮履复合式移动机器人的越障性能较好。对于消防机器人而言，采用履带式行走机构占多数。摆臂可以旋转过来形成双节履带式移动机器人，所以攀爬性能较好。目前国内外也正在积极开发该种机器人。如Y.Maeda等的多功能机器人、Andros系列机器人、以及中科院沈阳自动化所研制的CLIMBER、美国的“变形金刚”、四川中科院光电所研制的超小型排爆机器人等。

可重组履带式：即模块化的可重组机器人，可实现多种运动步态，物理结构灵活，环境适应能力和生存能力较强。国外研究较早，重组方式主要是链式、格式和运动式。国内研究起步较晚。

2.4 履带式行走系统机动性能研究现状

近40年来，国内某些院校、科研院所和企业对履带式行走系统进行了一定的研究，取得了一定的成果。

哈尔滨工业大学的刘少刚[8]等对履带的构型原理进行了分析推演，总结提出了几种不同构型的履带机构。韩淑洁[9]在其设计的消防机器人中采用的是履带轮式行走机构，单边为三条链。吉林大学的李勇[5]对常见多履带行走装置布置形式进行了总结，列举出了9种履带布置形式。如图1所示。

图1 履带行走装置结构布置

文献[11]提出的基于PLC控制的摇杆履带式自主消防机器人，采用摇杆履带式行走机构。在文中对结构进行了创新设计的研究，将摇杆机构与履带机构结合移植于机器人弥补了原有产品不足。履带结构越野通过性好，摇杆结构可以优化，力学合理。消防机器人工作环境较为恶劣，其越障性能极为重要。采用履带式行走系提高了越障能力，相对轮式而言效率更高。因此对履带式行走系的应用和研究可為消防机器人行走系统提供参考。而履带式行走系统的机动性能一般包括：越障性、转向性和平顺性。

2.4.1 越障性

越障性是指机器人利用其行走机构驱使机器人移动，使其质心越过障碍的关键边界线，在此过程中机器人不发生倾覆，不受障碍卡阻，能继续保持机器人的稳定姿态与移动能力，坡路、阶梯、沟道等人工地形，影响或阻止机器人平台正常移动的地形、地物称为障碍地形，一般将障碍地形简化为斜坡、台阶、凸台3种典型特征的地形，这3种简单地形可进行组合形成斜坡、连续台阶、凸台、壕沟等障碍地形。[12]其中攀越连续台阶的的性能最能体现机器人的越障能力。对于履带机器人，只需着重分析机器人攀爬台阶、斜坡和壕沟的越障过程。

扬州大学的巩青松[13]主要是对可通过的壕沟的宽度或台阶的高度进行了分析。北京特种车辆研究所王克运[14]等对高速履带的越障过程运用Matalab/Simulink进行了动力学仿真。中国矿业大学的方海峰[15]等通过引入柔性关节设计了一种具有被动摆臂的四履带机器人，并对其越障能力进行了理论分析，采用Adams软件对该机构进行了运动学仿真，证明被动摆臂结构比同尺寸的主动摆臂形式越障能力要强。文献[16]对连续采煤机履带行走装置进行了研究，运用Adams软件对履带行走装置进行了动力学仿真，从结果中得出了驱动轮的运动特性和驱动轮和履带板之间的接触力的变化规律，可作为履带行走机构的研究提供参考。

目前而言，越障性评价指标[17]主要是：地面的单位压力、越壕能力和攀越能力。地面的单位压力定义为：

其中：Fa-整机重量；L-履带接地长度；b-履带宽度

越壕能力是指机器人在不墜落的情形下能够越过的壕沟宽度，最大越壕能力根据整机重心的位置、机器人履带接地长度、诱导轮主动轮高度及履带上升角来定。攀越能力是指机器人正好能攀登的障碍物的垂直高度。

2.4.2 转向性

转向性是履带式机械行驶理论的核心问题[18]，其转向过程是一个复杂的动力学过程，通过两侧履带产生的速度差来完成，体现其改变运动方向的能力。既和总体机构、动力、转向有关，又和地面条件有关。目前对履带式机器人转向性能的评价指标有：平均转向角速度、转向半径和转向消耗功率。按运动学特性来分，有三种典型的转向方式：中心差速式，内侧降速式（或独立式转向）和外侧升速式。北京理工大学的陈泽宇、张承宁[18]等对这典型的三种转向方式进行了运动学和动力学分析，对三种方式的转向半径的变化规律和内外侧履带功率需求进行了对比研究；并运用Matlab/Simulin平台进行了仿真。从运动特性和功率需求两大方面综合分析出，在无其他特殊要求下，采用内侧降速式最为合理。如表1如示。

表1 三种转向方式的对比分析

文献[19]在考虑了履带宽度和滑转、滑移等影响因素下，建立了四履带车辆稳态转向数学模型，并采用阻尼牛顿法对该模型进行了数值求解，分析了履带接地瞬心的偏移、履带接地长度和履带宽度等结构参数对稳态转向特性的影响，内外侧驱动力与转向半径的变化规律。同时借助RecurDyn软件对该四履带车辆进行了转向仿真，将理论值与仿真结果进行对比分析，吻合较好。对该四履带车辆的转向性能研究方法和结论对一般四履带机械的转向性能研究具有可参考意义。

文献[20]基于RecurDyn软件建立了高速履带车辆多体动力学模型和路面模型，对履带车辆在软硬路况的高速转向过程进行动力学仿真和分析，主要考虑了履带预张紧力、转向半径和路面工况对转向特性的影响。

上海汽车集团的鲁连军[21]等采用MATLAB/SIMULINK软件对电传动履带车辆的转向型进行研究。文献中建立了新的电传动履带车辆模型，对电传动履带车辆转向行驶特性进行分析，以鼠笼式异步电机模型和经典矢量控制方法为例，建立了车辆转向行驶仿真模型，分别按独立式、差速式两种方案对其转向行驶性能进行仿真分析。也有研究建立动力学分析软件和MATLAB/SIMULINK的联合仿真平台对其转向进行多工况协同仿真，结果表明，不同转向工况对电机输出特性要求不同，瞬态工况较易受转向角速度变化率影响，稳态转向很大程度上取决于转向半径[22]。

随着对消防要求和应急性的提高，对于狭窄巷道的救援抢险要求省时便捷，于是催生了双头消防车的出现。具有独特的双驾驶室和四轮转向系统，无需掉头倒车转弯、省时便捷，特别适合于狭窄街巷隧道事故救援。

2.4.3 平顺性

履带行走装置的平顺性是以搭载平台处的行驶时的振动性作为评价指标。行驶时的振动主要来自于三个方面：一是地面不平度激励对整体产生的振动，其频率范围在0-150Hz左右；二是电机工作产生的频率振动；三是行走装置运动部件内部碰撞、摩擦产生的振动。在进行仿真分析时以整机垂直方向的加速度为指标进行分析[17]。

当前对履带式车体机动性能的的研究主要是者各方面。其研究方法一般是通过理论分析、借助软件（ADAMS、RecurDyn、MaTLaB/SiMuLink）进行仿真或是对样机或实物进行试验验证。进行试验的可进行三种性能的分析，进行计算机仿真的一般只能分析转向性和平顺性，对于越障性能需要专业的履带模块或在动力学仿真软件中进行履带建模，而这需要用到宏命令也只能进行一些简单的建模，对于复杂的履带也无法进行。

3 存在问题

机器人的行走系统发展到现在，已经取得了很大的进步。对于消防机器人而言，由于其特殊性一般多选择履带式行走系统。但目前也存在一些问题：（1）结构过于复杂，质量过大。（2）机动性能不足，越障能力不理想，转向不灵活，平顺性有待提高。（3）成本过高，维护较难。

4 结束语

履带式行走系统更加适合于消防机器人的工作和性能要求。进一步提高履带式行走系统的机动性能、优化结构设计可提高履带式消防机器人的整体性能。依据行走系统的发展趋势，可尝试将轮、履、腿式行走系统应用于消防机器人。

参考文献

[1]郭瑞璜.日本消防机器人研制、应用现状[J].消防技术与产品信息，2011（9）：82-84.

[2]刘军，程继国，尹志，等.消防机器人灭火救援应用技术分析[J].消防技术与产品信息2010（11）：15-18.

[3]周志毅.消防机器人在消防中的应用探讨[J].科技资讯，2014（2）：16.

[4]段宝钢.多履带车辆建模研究与仿真分析[D].大连理工大学，2011，4-5.

[5]李勇.多履带行走装置关键设计技术研究[D].吉林大学，2011，1-3.

[6]赵莉莉.四履带式搜救机器人运动学与动力学研究[D].河南理工大学，2012（4）：7-9.

[7]朴春日.关节履带式机器人设计及运动性能研究[D].上海交通大学，2013：12-14.

[8]王恒飞.四履带工程机械底盘设计[D].长安大学，2013：1-3.

[9]刘少刚，郭云龙，等.履带自主张紧式主臂可变构型机器人机构原理与越障分析[J].中南大学报，2013，44（6）：2290-2295.

[10]韩淑洁，陈爱玲.消防机器人整车设计方案探讨[J].青岛远洋船员职业学院学报，2007（2）：53-55.

[11]高润泉，等.基于PLC控制的摇杆履带式自主消防机器人[J].2012（8）：49-54.

[12]李允旺，葛世荣，等.四履带雙摆臂机器人越障机理及越障能力[J].机器人，2010，32（2）：160-164.

[13]巩青松.履带车辆设计与分析的关键技术研究[D].扬州大学，2008：21-23.

[14]王克运.履带车辆越障过程的动力学仿真[J].兵工学报，2005，26（5）：580-583.

[15]方海峰.具有被动摆臂的四履带机器人越障性能分析[J]中国矿业大学学报，2010，39（5）：683-686.

[16]梁健，常宗旭，等.基于ADAMS的连续采煤机履带行走装置的仿真研究[J].机械工程与自动化，太原理工大学，2010（5）：23-25.

[17]陈淑艳.移动机器人履带行走装置的构壑与机动性能研究[D].扬州大学，2008，45-46.

[18]陈泽宇，张承宁.履带车辆三种转向方式特性的对比分析[J].农机化研究2010（4）：43-46.

[19]李勇，姚宗伟，王国强.四履带车辆转向性能仿真研究[J].吉林大学农业机械学报，2011，42（2）：34-38.

[20]马兴国，陈媛媛，刘兴婷，等.基于多体动力学仿真的履带车辆转向性能分析[J].机械设计，2012，29（6）：52-56.

[21]鲁连军，孙逢春，翟丽.基于MaTALABSiMuLink的电传动履带车辆转向性能仿真[J].兵工学报，2006，27（1）70-74.

[22]王孟英，谷中丽.双电机独立驱动履带车辆转向特性研究[J].计算机仿真，北京理工大学，2013，30（5）：159-161.

作者简介：乐治后（1989-），男，武汉大学动力与机械学院机械工程专业，研究方向：机械设计理论与方法。