消防机器人行走系统发展初探

消防机器人行走系统发展初探

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。

标签：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为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坠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