輪足混合式消機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析0引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及大型石油化工企業(yè)和隧道建設(shè)項(xiàng)目的不斷增加，危險(xiǎn)化學(xué)品和放射性物質(zhì)泄漏以及燃燒、爆炸、坍塌事故也在增多。特別是一些特殊的企業(yè)發(fā)生的火災(zāi)，如化工企業(yè)、紡織企業(yè)等，具有突發(fā)性強(qiáng)、燃燒猛烈等特點(diǎn)且火災(zāi)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體重地危害周?chē)罕姾途葹?zāi)人員的生命安全。因此，研發(fā)成本低、功能強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的消防滅火機(jī)器人具有重要意義。最早的消防機(jī)器人是1986年日本東京消防彩虹5號(hào)”機(jī)器人，可代替消防人員進(jìn)入復(fù)雜地形滅火。2006，由挪威科學(xué)家研制出一種蛇形消防機(jī)器人，進(jìn)入消防救援人員無(wú)法進(jìn)入的場(chǎng)所實(shí)施滅火工作。，由德國(guó)馬格德堡一施騰達(dá)爾大學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種球形新型消防機(jī)器人“甲蟲(chóng)奧勒（”，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)美國(guó)HoweandHoweTechonologies司開(kāi)發(fā)了一款消防機(jī)器人Thmite可解決列車(chē)脫軌事故中由核燃料和化學(xué)燃料產(chǎn)生的火災(zāi)。近年來(lái)國(guó)的消防機(jī)器人研究得到了政府和有關(guān)部門(mén)的支持西北工業(yè)大學(xué)彭濤提出一種高空消防機(jī)器人模糊控制設(shè)計(jì)方案動(dòng)速度和材料制備都有很大的難度業(yè)大學(xué)的姜樹(shù)海設(shè)計(jì)了一種用于森林消防的六足機(jī)器人，但在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)力矩過(guò)大會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)造成一定程度的損害通大學(xué)機(jī)器人研究所的徐正飛提出集火場(chǎng)探測(cè)防以及有毒燃爆氣體場(chǎng)所探測(cè)等多種功能于一體的遙控關(guān)節(jié)式移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)仍停留于理論研究。

綜合國(guó)內(nèi)外消防機(jī)器人的研究現(xiàn)狀現(xiàn)目前對(duì)于老舊樓道窄隧道的火災(zāi)問(wèn)題仍處于理論研究狀態(tài)，無(wú)法有效地對(duì)火災(zāi)進(jìn)行撲滅。針對(duì)此問(wèn)題文設(shè)計(jì)了一種可在四驅(qū)輪式和雙足步態(tài)行走自由切換可實(shí)現(xiàn)全方位噴射的消防機(jī)器人先對(duì)機(jī)器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析次主要零部件進(jìn)行SolidWorks模仿真分析MATLAB/Simulink行走裝置進(jìn)行振動(dòng)仿真分析。最后搭建樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)合理性。1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1整體結(jié)設(shè)計(jì)本機(jī)器主要由四驅(qū)行走裝置裝置裝置裝置、火源檢測(cè)裝置、儲(chǔ)水裝置、電子與控制系統(tǒng)等組成，其裝置整體設(shè)計(jì)如圖1所示。1機(jī)1.2.3.火6.7.1.2工作原機(jī)器的工作原理如圖2示，其工作流程如下。

21操作人員開(kāi)啟機(jī)器、遙控端電源，操作人員通過(guò)遙控端發(fā)送指令控制車(chē)身的行走，進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，啟動(dòng)道路與火源檢測(cè)模式。2在道路檢測(cè)模式下，機(jī)器可在平地與狹窄隧道的道路上，進(jìn)行輪式與步態(tài)越野避障行走。3在火源檢測(cè)模式下，火源檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)火源。當(dāng)火源檢測(cè)裝置檢測(cè)到火源時(shí)，STM32片控制消防機(jī)器人規(guī)劃路線，循跡至火源位置。4循跡至火源位置后，消防機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始定位火源，啟動(dòng)滅火噴射裝置。5根據(jù)攝像頭采集的圖像，轉(zhuǎn)臂執(zhí)行裝置控制滅火噴射裝置對(duì)指定火源進(jìn)行滅火噴射，其噴射形成有效的包圍圈，可有效對(duì)火源撲滅。

6在滅火過(guò)程中攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像，通過(guò)圖像處理算法檢測(cè)火源是否被撲滅果火源撲滅續(xù)尋找下一處火源位置直到火源全部撲滅后返回至初始位置。2消防機(jī)器2.1行走裝的設(shè)計(jì)本機(jī)器的行走裝置三維模型圖如圖3所示，行走裝置主要包括四驅(qū)行走裝置和步態(tài)行走裝置兩部分傳統(tǒng)的四驅(qū)輪式基礎(chǔ)上行走模式，通過(guò)攝像頭對(duì)采集圖像進(jìn)行處理測(cè)道路模式平緩道路上切換至四驅(qū)輪式狀態(tài)高機(jī)器移動(dòng)的速度狹窄隧道的道路上或老舊樓道上切換至步態(tài)交替行走。3行1.型4.氣雙2.1.1四驅(qū)行走裝置的設(shè)計(jì)四驅(qū)行走裝置采用伸縮氣缸和麥克納姆輪相配合的設(shè)計(jì)維模型如圖所示過(guò)攝像頭采集圖像進(jìn)行處理判斷道路模式平緩道路上縮氣缸通過(guò)支架連接步進(jìn)電機(jī)控制麥克納姆輪上下運(yùn)動(dòng)，改變運(yùn)動(dòng)方式。

4四2.1.2雙足行走裝置的設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)消防機(jī)器人無(wú)法進(jìn)入老舊樓道道等地形復(fù)雜的地區(qū)的問(wèn)題。本機(jī)器對(duì)行走裝置進(jìn)行仿人型的足式步態(tài)設(shè)計(jì)在老舊樓道的臺(tái)階或狹窄隧道的道路上行走，提高消防機(jī)器人越野避障的能力，其三維模型如圖5所示。5雙3.4.2.2轉(zhuǎn)臂執(zhí)裝置的設(shè)計(jì)在整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)為本機(jī)器的獨(dú)特設(shè)計(jì)臂執(zhí)行裝置由主轉(zhuǎn)臺(tái)、關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)3噴射器等組成。轉(zhuǎn)臂運(yùn)行時(shí)，主轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2運(yùn)，關(guān)節(jié)3隨之做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，控制安裝在關(guān)節(jié)端的機(jī)

械臂做伸縮和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)噴射器對(duì)火源形成有效的包圍圈據(jù)中央控制器STM32指令信號(hào)，控制水泵和流量閥進(jìn)行滅火，三維模型如圖示。6執(zhí)1.2.12關(guān)3；5.3主要零部3.1四驅(qū)行裝置建模仿真四驅(qū)行走裝置是本機(jī)器的核心裝置穩(wěn)定性SolidWorks對(duì)固定伸縮氣缸的U支架進(jìn)行Simulation應(yīng)力分析，其結(jié)果如圖7示，由圖7可知。7式中：

σ材料的最大屈服應(yīng)力N/m）σ為材料的最大變形應(yīng)力（）由以上數(shù)據(jù)可知設(shè)計(jì)的U型支架其應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力，滿足零件的設(shè)計(jì)要求，可保證氣缸在垂直方向的穩(wěn)定運(yùn)行。為進(jìn)一步保證氣缸在垂直方向的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性Motion力學(xué)對(duì)四驅(qū)行走裝置的軌跡路線進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖8所示。由圖8可知車(chē)輪在垂直方向?yàn)榫€性運(yùn)動(dòng)，氣缸推桿的位移量為0.48m運(yùn)行時(shí)間為3.2s運(yùn)行速度為0.15m/s8四3.2行走裝的Simulink振動(dòng)仿真分析3.2.1四自由度機(jī)器振動(dòng)模型機(jī)器在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中由于路面的不平度和車(chē)輪運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致局部產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)影響其穩(wěn)定性重大意義。

究機(jī)器振動(dòng)參數(shù)合理設(shè)計(jì)具有將機(jī)器簡(jiǎn)化為4自由度的振動(dòng)模型，分別為機(jī)器本身的垂直和俯仰兩個(gè)自由度、車(chē)輪前后軸兩個(gè)自由度，振動(dòng)模型如圖9示。

圖9中：m為機(jī)器重量（kg）；m為前輪重量（kg）；m為后輪重量（kg）；I車(chē)身繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m）；θ為機(jī)器質(zhì)量轉(zhuǎn)角（rad）；、b為前后軸到質(zhì)心的距離（m）k為前后輪胎剛度（N.m）；k為前后懸架剛度（N.m）；y、y、y為機(jī)器、前輪、后輪位移量（）；y為路面不平度的位移量（）。簡(jiǎn)化4自由度的振動(dòng)模型并進(jìn)行受力分析，根據(jù)受力分析結(jié)果建立平衡方程如下。機(jī)器受力平衡方程為：

前軸前輪受力分析為：后軸后輪受力分析為：力矩平衡方程為：對(duì)于前后軸上方的垂直位移有如下關(guān)系：前軸：后軸：整理式(～式(得：將上式簡(jiǎn)化為質(zhì)量矩陣可得：式中：

M為機(jī)器的質(zhì)量矩陣；Y機(jī)器各自由度的位移量；K機(jī)器的剛度矩陣；K為麥克納姆輪的剛度矩陣；Y為路面不平度的位移量。可得：對(duì)式(兩側(cè)同取拉斯變換可得：化簡(jiǎn)可得傳遞函數(shù)矩陣為：用jw代替s子可得機(jī)器的頻率響應(yīng)函數(shù)。3.2.2四自由度機(jī)器振動(dòng)分析

采用MATLAB/Simulink軟件，將上述4自由度振動(dòng)模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)仿真模型，機(jī)器仿真參數(shù)如表1示，仿真模型如圖10示。1機(jī)

機(jī)器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中于路面模型和行駛速度的不同成的路面不平度激勵(lì)是不同的了更好的進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)路面模型簡(jiǎn)化為正弦曲線數(shù)學(xué)模型為yπft），f=10Hz到的仿真結(jié)果如圖11所。從圖11以看出的振動(dòng)曲線為簡(jiǎn)諧振動(dòng)最大值分別y=0.02059m、y=y=0.03188m

由此可知本機(jī)器的垂直自由度振動(dòng)位移量完全可保證機(jī)器運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平順性和穩(wěn)定性。4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證輪足混合式消防機(jī)器人雙足行走裝置的樣機(jī)模型如圖示，考慮到雙足算法走速度對(duì)雙足行走平衡能力的影響文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)該消防機(jī)器人進(jìn)行雙足步態(tài)算法走速度的實(shí)驗(yàn)分析防機(jī)器人在一定區(qū)域內(nèi)巡邏過(guò)雙足步態(tài)行走跨越障礙物行多組實(shí)驗(yàn)測(cè)試機(jī)器人的平衡能力驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，在伺服舵機(jī)分步執(zhí)行值x=100的條件下，改變機(jī)器人的轉(zhuǎn)角速度，進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3示。根據(jù)表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知采用該分步執(zhí)行步態(tài)算法其平衡率高達(dá)98.8%，相比于延時(shí)函數(shù)控制舵機(jī)其平衡能力增強(qiáng)的發(fā)生3知，舵機(jī)轉(zhuǎn)角速度越快，機(jī)器人摔倒的次數(shù)越多，平衡率越低。2

3機(jī)5結(jié)語(yǔ)1對(duì)機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)主要零部件行走裝置和轉(zhuǎn)臂執(zhí)行裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2采用三維SolidWorks進(jìn)行建模仿真分析。對(duì)四驅(qū)行走裝置進(jìn)行建模分析過(guò)靜力學(xué)應(yīng)力分析可知其應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力全符合使用要求用Motion動(dòng)力學(xué)對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析果表明落時(shí)間為3.2s行速度為0.15m/s，可保證車(chē)輪在垂直方向的線性運(yùn)動(dòng)3對(duì)機(jī)器的行走裝置進(jìn)行MATLAB/S