森林消防機器人執行機構的設計與仿真

徐振亞，姜樹海

（1.南京林業大學 機械電子工程學院，南京 210037；2.南京林業大學 智能控制與機器人技術研究所，南京 210037）

0 引言

森林火災是一種突發性強、破壞力大，對森林生態系統和人類都具有巨大破壞力的自然災害。森林火災發生突然，蔓延速度快，火災的撲滅也顯得格外困難[1]。即使在火災撲滅之后，也必須進行余火清理工作，根據以往經驗總結，及時發現和徹底清理隱燃的余火，特別是肉眼難以發現的無煙的隱燃火才能夠更好地避免發生余火復燃。然而，長期以來，人工進行森林余火探測與清理的效率低下并且危險系數很高[2]，為提高探測余火的效率和避免不必要的損失，需要一種有效的、快速的余火探測及清理裝備，研制能夠在森林地形條件下進行火災探測和清理等消防作業的移動消防機器人非常重要[3,4]。從目前來看，消防機器人的研究主要在地表相對規律的高層建筑，地鐵隧道及地下建筑等場合中，從機動形式來看，一般履帶式、輪式較多，且體型較大。在森林消防場合，由于森林的地形復雜多變，地面不同于城市結構的平坦地勢，灌木叢、溝壑、斜坡等地形環境會嚴重影響消防機器人的前進效率，因此，研制能夠在森林地形環境下有效地完成消防作業的機器人具有重要的實際意義[5-8]。

筆者所在的課題組開展了仿生甲蟲機器人相應的研究工作，六足仿生機器人具有更好地適應森林的地面環境的能力[9]。機器人移動平臺采用六足仿生結構，機器人在行進路程中不可避免地會遇到障礙物，這時執行機構可以對障礙物進行清理工作，提升機器人的移動速度，擴大其移動空間范圍，保證機器人在發現余火跡象時能及時地趕往復燃點，將燃燒物熄滅或將難以熄滅的物體移至火線外安全范圍進行滅火處理，實現森林余火的徹底清除[10,11]。本文將主要進行林火探測清理機器人執行機構的設計，通過運動學分析驗證結構設計參數的合理性與正確性，并用ADAMS軟件進行仿真驗證。

1 機器人機械結構設計

森林消防機器人執行機構搭載在六足移動平臺上，在機器人行走時對路障進行探測清理工作[12]，根據機器人移動平臺所允許的操作空間進行執行機構的設計。

要確定一個障礙物在空間的具體位置需要知道它沿三個直角坐標軸的移動自由度和繞這三個坐標軸的轉動自由度，因此將執行機構確定為六自由度。執行機器人最大伸展長度（末端執行器中點與底座中點的水平距離）為1900mm，高度為460mm，總體結構如圖1所示?？傮w結構根據實際需求進行了系統設計，由底座將執行機構與移動平臺相連，末端執行器裝有鋸片，通過切割作業進行除障清理。執行結構可以簡化成為串聯末端無約束的開放式連桿結構，六自由度串聯結構運動學方程更加簡單可靠[13]。機械機構裝配時需要較高的裝配及加工精度以保證機器人的運動精度。

圖1 總體結構

執行機構機器人結構主要由底座、腰部、大臂、小臂、手腕和末端執行器六部分組成，其結構如圖2～圖7所示。

圖2 底座結構參數

圖2所示為底座，長400mm，寬400mm，由八根螺栓固定在六足移動平臺中心。作為執行機構的承載機構，底座具有很高的剛度及穩定性。底座中心裝有電機，作為腰部回轉機構的動力。

圖3 腰部結構參數

圖3腰部為執行機構的回轉部件，可繞底座進行360°旋轉，腰部的回轉運動與手臂的平面運動使機構進行空間操作。腰部由六顆螺栓安裝在底座電機減速器輸出法蘭上，腰部的制造精度及平穩性對機器人的定位精度有著決定性影響。

圖4大臂連接腰部與小臂，倆端軸心距離為600mm，大臂是執行機構俯仰運動的關鍵關節，結構簡單可靠，安裝在腰部電機減速器法蘭上。

圖4 大臂結構參數

圖5 小臂結構參數

圖5小臂為執行機構傳遞軸向力的關鍵關節。小臂后端裝有電機，通過小臂內部齒輪傳動驅動手腕進行轉動，電機布置于小臂后方方便安裝，且加強小臂結構的剛度，為探測裝置提供布線空間及穩固平臺。

圖6 手腕結構參數

圖6手腕與末端執行器相連，可以繞小臂軸心轉動，從而帶動末端執行機構達到預定姿態，頂部裝有電機，驅動末端執行器。

圖7 末端執行器參數

圖7末端執行器由兩關節組成，其中一關節與手腕相連進行回轉運動，另一關節末端裝有鋸片，以進行除障清理工作。

2 運動學分析

為對執行機構進行運動學分析，首先將機器人結構轉換為物理模型。這里選用經典的D-H矩陣法則[14]，建立執行機構的D-H坐標系，如圖8所示。

圖8 機器人D-H矩陣坐標系

定義連桿機構的參數描述如下：ai表示相鄰關節沿xi軸方向Zi-1軸與Zi軸的長度，αi表示相鄰關節Zi-1軸到Zi軸繞Xi-1的轉角，di表示xi-1軸到xi沿Zi-1的距離，θi表示xi-1軸到xi軸繞Zi-1的轉角，其具體參數如表1所示。

表1 各桿件D-H參數

2.1 運動學正解

運動學正解就是在已知θ的情況下求解末端執行機構相對于參考坐標系的位姿，以齊次變換矩陣表示相鄰連桿i-1與i的變換關系，四次變換的齊次矩陣分別是：

1）繞xi-1軸旋轉

2）沿xi-1軸平移

3）繞zi軸旋轉θi：

4）沿zi軸平移di：

由式(1)～式(4)D-H齊次變換矩陣為：

將表1中的數據代入D-H齊次變換矩陣，將單次變換定義為An則機械臂相對于參考坐標系的總變換為：

式中：

若機器人處于圖8所示的狀態，將d、θ代入得到執行機構末端的坐標為（0，a2，d1+d3+d4），結果與圖示情況吻合，驗證了齊次方程的正確性。

2.2 運動學反解

運動學反解就是在已知末端執行機構所要達到的位置的基礎上求解各關節的θ值，在機器人運動方程式(6)兩邊同乘以A1-1得：

展開得：

通過以上求解，執行機構要達預定位置會有多組解，需要根據實際操作狀態進行數據篩選，機器人根據給出的θ值調整各關節旋轉角度以達到指定位置。

3 機器人運動仿真

3.1 運動仿真

在SolidWorks中完成模型和的建立，并將模型轉換為parasolid格式導入ADAMS軟件中[15]，設置仿真時間為8S，步數為500，模擬模型在高點低點的作業動作。驅動函數在ADAMS后處理模塊中將末端點的位移，速度，加速度等信息如圖9～圖12所示。

圖9 末端點位移曲線

圖10 末端點速度曲線

圖11 末端點加速度曲線

圖12 末端點角加速度曲線

3.2 仿真分析

根據各關節所加載的驅動函數，函數驅動模型從初始位置到最高作業位置到最低作業位置再返回原位，各關節具體運動如下，0～2s第1關節在轉動90°；2～4s逆時針轉動-90°，第2關節在2～4s轉動70°，第3，4，5，6關節轉動90°；4～6s第1，2，5關節轉動-90°，第3，4，6關節轉動90°；6～8s第1，2，5關節轉動90°，

【】【】第3，4，6關節轉動-90°。從圖9～圖12可以看出，x軸方向的位移變化主要發生在第2～4s，y軸方向的位移變化主要在4～6s，z軸方向的位移變化主要發生在第2～6s，這表明大臂小臂主要起到調節高度的作用，第3，4關節在第6～8s內主要是起到輔助調整姿態的作用。曲線10顯示末端點在第2.5s時達到最大速度，實際操作過程中可以優化各關節協調的角度以減小末端執行機構的角加速度。由曲線圖可知，機器人手臂在整個軌跡運動過程中，速度變化都比較平穩，無劇烈振動現象，符合設計要求。

4 結論

通過對消防機器人在森林環境中的行走的除障清理需求分析，提出了一種森林消防機器人執行機構的解決方案。完成了消防機器人執行機構的結構設計并且利用SolidWorks構造了單臂三維模型，給出了各關節的關鍵結構圖。建立了D-H坐標系，對機器人進行了運動學分析。最后基于ADAMS對機械結構進行運動仿真，根據仿真結果表明機械結構滿足作業需求。運動學分析及仿真驗證了該方案的正確性和可行性，為后續機械臂的具體結構設計與優化提供了理論依據。未來將在提高結構剛度，簡化模型結構等方面進行進一步研究。

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