隧道救援用履帶式機器人設計及越障性能分析

陳 亮，石 勝，趙仁佳，陶衛軍

（南京理工大學機械工程學院，南京 210094）

0 引言

履帶式移動機器人具有高性價比、可適應各種復雜的地形、承載能力強等優點，在反恐防爆、消防救援、危險環境偵察勘探等領域中被廣泛應用[1-4]。隧道救援機器人是一種能夠代替救援人員進入復雜危險的隧道對災后現場進行探測、搜索和救援的機器人。目前，國內外主流的履帶式救援機器人可分為雙履帶移動機器人、四履帶機器人和六履帶機器人[5-6]。其中，比較典型的Warrior四履帶機器人可以攀越臺階、樓梯等多種復雜地形，適用于城市建筑物中的垃圾清掃或災后廢墟清理等作業[3]?；诜律鷮W的KOHGA與SOURYU救援機器人[7-9]屬于多節履帶式移動機器人，能夠翻越較大的障礙物，具有較好的多地形適應性和越障穩定性。中國礦業大學研制的CUMT系列的救援機器人[10-14]屬于六履帶機器人，能夠翻越20 cm的障礙物。由于現有的救援機器人具有較大的空間體積與質量，考慮到隧道地面的復雜性與惡劣的野外施工環境，有必要開發小型化、智能化的隧道救援機器人，使其具有便于搬運、結構緊湊和越障性能好等優點。本文設計一種具有雙擺臂結構的輕便型隧道救援用履帶式機器人，可以搭載攝像頭和一些生存物資進行人員搜救、物質補給與環境偵察等工作。

1 隧道救援用履帶式機器人結構設計

1.1 功能與性能指標

隧道救援機器人在復雜的隧道環境中作業，需要保證運動平穩性、越障能力和載重能力，采用雙擺臂履帶式行走結構能滿足這一需求。此外，在機器人底盤上安裝救援箱體，為被困人員提供基本的救援用物資；在機器人的前部安裝高清攝像頭與激光雷達來實時觀察隧道內的情況并及時避障，同時安裝一對照明設備，為攝像頭提供光源；在機器人后端安裝無線傳輸設備，用來與遠程控制端通信；內部采用4個直流伺服電動機來提供動力。其總體布局如圖1所示，外觀圖如圖2所示。其主要性能指標如下：總質量50～60 kg；載重能力不小于20 kg；平地運動速度≥0.2 m/s；越障高度≥250 mm；加速度≥0.2 m/s2。

圖1 隧道救援用履帶式機器人總體布局

圖2 隧道救援用履帶式機器人外觀圖

1.2 底盤結構設計

機器人底盤傳動系統主要由履帶、驅動輪、從動輪和張緊輪構成，擺臂系統由擺動輪、擺桿與擺臂履帶構成。兩側驅動輪分別由對應的直流伺服電動機配合減速器進行獨立驅動，通過控制速度實現機器人前進、后退和轉向等運動功能。在驅動輪和從動輪之間設置2組張緊輪來壓緊履帶，起到增強運動能力和緩沖載荷的作用。驅動輪或從動輪在轉動的同時，會帶動擺臂上的履帶運動；而擺臂擺動則由2個電動推桿的伸縮運動來分別驅動2個擺桿轉動實現。底盤結構設計如圖3所示。

圖3 隧道救援用履帶式機器人底盤結構示意圖

隧道救援用履帶式機器人底盤整體外形尺寸為長722 mm、寬660 mm和高152 mm。驅動輪與從動輪的中心距為460 mm。擺動輪與擺臂回轉中心的中心距為350 mm，擺臂可以實現相對水平位置-45°～45°范圍內的轉動，在越障時可使得擺臂搭在障礙物上從而在驅動輪輸出轉矩作用下翻越障礙物。

2 隧道救援用履帶式機器人控制系統設計

2.1 控制系統硬件構成

隧道救援用履帶式機器人控制系統要實現機器人底盤運動控制和對周圍環境的感知，其硬件構成如圖4所示。采用高性能工控機A作為主控制器，通過CAN總線控制2個直流伺服驅動器來控制底盤的2個400 W直流伺服電動機，從而實現機器人的速度控制與運動控制。通過RS232串口發送指令給單片機，控制與之相連的繼電器來控制2個電動推桿的直流無刷電動機，從而實現2個擺臂的轉動功能。同時，通過單片機來獲取由光電開關檢測的擺角極限位置情況，并由RS232串口發送到工控機A。通過慣性測量單元（inertial measurement unit，IMU）來獲取機器人的位姿狀態，并用所搭載的激光雷達與雙光譜MINI云臺攝像機分別實現機器人避障與環境監測。工控機A與遠程遙控系統的工控機B之間通過機器人搭載的車載無線AP與遠程遙控系統連接的無線基站進行遠程無線通信，進行機器人指令、狀態以及視頻傳輸。其中，激光雷達直接與工控機A的網口連接，為機器人避障提供數據信息。而雙光譜MINI云臺攝像機則作為一個獨立設備直接與車載無線AP的網口連接，直接將視頻信息由車載無線AP發出，通過遠程遙控系統中的無線基站接收并傳送到工控機B。工控機B上連接鍵盤、鼠標和搖桿等人機交互設備，用于遠程遙控與操作機器人。

圖4 控制系統硬件構成

2.2 控制系統軟件設計

隧道救援用履帶式機器人控制系統采用機器人操作系統（robot operating system，ROS）。ROS是一個分布式的進程框架，由多個獨立的節點組成，其他節點運行錯誤不會對本節點造成災難性的破壞。因此，此系統適合用于構建多進程分布式應用軟件框架。為滿足節點之間的高效通信，ROS采用了一種發布和訂閱消息的通信機制。機器人本體的軟件結構是由5個節點和2個系統實現的。5個節點分別為底盤控制節點、里程計節點、IMU節點、三維激光雷達節點和攝像機節點，2個系統分別為同步定位與建圖（simultaneous localization and mapping，SLAM）系統和自主探索導航系統，它們都是通過ROS控制進行管理?？刂葡到y軟件構成如圖5所示。

圖5 控制系統軟件構成

3 機器人越障過程分析與動力學建模

3.1 越障過程分析

采用常用的臺階作為障礙物，主要對機器人爬上臺階的過程進行分析，可用如圖6所示的簡圖表示，整個越障過程可以分為以下2個階段：

（1）機器人前擺臂首先接觸到臺階尖角，在驅動輪的推動與擺臂處支持力、摩擦力的共同作用下，擺臂轉動并帶動機器人前端持續抬起，如圖6（a）～（c）所示。

（2）當機器人主履帶接觸到臺階尖角后，在驅動輪的推動下，機器人開始向上攀爬，直到機器人爬上臺階，如圖6（d）～（f）所示。

圖6 機器人越障過程簡圖

3.2 機器人越障的動力學建模

履帶式移動機器人的動力學問題研究相對復雜。在對其建模之前，先進行一系列簡化假設[15]：

（1）機器人整體對稱，質量集中在底盤部分，分析時機器人的中心不發生變化；

（2）機器人在爬越臺階的過程中所有接觸為純滾動，無相對滑動，約束力理想化；

（3）地面是剛性的，不考慮內部零件之間的摩擦。

如圖6所示，機器人爬上臺階的過程可分為2個階段，包括前擺臂越障階段與主履帶越障階段。

（1）前擺臂越障階段。

當機器人前擺臂履帶接觸到臺階尖角時，主要依靠驅動輪推力與臺階尖角處的支持力的共同作用使得機器人向上爬升，此階段的動力學模型如圖7所示。

圖7 前擺臂越障階段動力學模型

設XOY為世界坐標系，在機器人車體主履帶驅動輪中心建立相對坐標系xo1y，設固定在機器人上的相對坐標xo1y在固定坐標系中有沿X軸正向的牽連加速度ax，在Y軸方向牽連加速度為0，機器人底盤驅動輪和從動輪的連線與坐標系xo1y的x軸正方向的夾角為θ。θ1表示質心O0和驅動輪中心O1連線與x軸正方向的夾角；θ2為一個定值45°；θ3表示前擺臂和臺階的夾角，θ3=θ2+θ。m0為機器人的車體質量，前后擺臂的質量為m1。h為臺階的高度。車體前后帶輪的軸距為L0，擺臂大小輪的軸距為L1，（b，c）表示機器人重心在車體中的位置。

機器人所受的外力作用包括：在A點和B點的支持力Nr、Nf，在B點的摩擦力Nf（φ2-f2），在A點的摩擦力Nr（φ1-f1）以及機器人本身的重力G。其中，φ1、φ2表示地面和臺階的豎面附著系數，f1、f2表示地面和臺階的豎面履帶阻力系數[16]，地面行駛摩擦系數φ設為

車體重心的坐標變化在xo1y坐標系中可以表示為

在xo1y坐標系中根據x、y方向的合外力平衡得到如下方程：

解上式方程得到：

忽略車輪的摩擦，驅動輪的驅動轉矩Mk可由下式給出

式中，Mf為內部摩擦阻力矩；R為驅動輪半徑。忽略各個軸頸摩擦力矩，Mf包括以下2個部分：

①電動機到驅動輪輪軸的傳動鏈阻力矩Mf1：

式中，η為電動機到驅動輪輪軸的傳動效率。

②驅動輪和履帶的嚙合摩擦阻力矩Mf2：

式中，μ為齒嚙合摩擦系數；Zt為履帶和驅動輪的嚙合齒數；F0為履帶的張緊力。

（2）主履帶翻越臺階的過程。

圖6（e）為機器人越障運動的主要過程，機器人在主履帶驅動輪作用下繼續前進，同時依靠障礙物的作用力向上爬升。該運動的動力學模型如圖8所示。

圖8 主履帶翻越臺階動力學模型

該過程的動力學方程和前擺臂的動力學方程類似。在這個過程中θ3與θ一致。在xo1y坐標系中根據x、y方向的合外力平衡得到如下方程：

解上式方程得到：

忽略車輪的摩擦，驅動輪的驅動轉矩Mk可由下式給出

3.3 機器人越障動力學仿真

仿真參數設置如下：電動機轉速3 000 r/min，額定功率400 W，額定轉矩1.27 N·m；機器人總體質量55 kg，行駛速度0.2 m/s。

利用機械系統動力學自動分析（automatic dynamic analysis of mechanical system，ADAMS）軟件對機器人整個越障過程進行仿真分析，仿真模型如圖9所示，經過仿真得到單側電動機的輸出力矩曲線圖如圖10所示，機器人底盤運動的質心位移圖如圖11所示，機器人底盤運動的速度曲線圖如圖12所示。

圖9 隧道救援用履帶式機器人仿真模型圖

圖10 單側電動機的輸出力矩曲線圖

圖11 隧道救援用履帶式機器人底盤運動的質心位移圖

圖12 隧道救援用履帶式機器人底盤運動的速度曲線圖

仿真結果表明，機器人底盤質心高度不斷上升直至爬上300 mm的臺階后保持不變。在爬坡的過程中，機器人從靜止加速到勻速運動，速度基本保持不變，受履帶影響，速度有所波動，此時電動機的力矩從0增大，然后保持不變；爬坡完成后至在坡上停下，整個過程電動機的輸出力矩都是穩定的，可以穩定爬上300 mm的障礙物。忽略客觀因素的影響，機器人在運動學和動力學理論上是比較合理的。根據仿真結果及設置的仿真參數，選用MOTEC型號為DSEM-V481230E60LN的電動機作為機器人的驅動電動機。

4 機器人越障實驗

實驗方法：在實際的爬越臺階中，對隧道救援用履帶式機器人兩側驅動電動機的輸出力矩進行分析。測試方法：測量左右輪電動機的輸入電流，通過對電流和力矩之間的轉換求得力矩在爬越臺階過程中的變化趨勢。實驗條件：選取高度為250 mm的臺階作為障礙物來進行越障實驗。機器人開始爬越臺階的速度從0加速到0.2 m/s，之后保持在0.2 m/s。對機器人進行5次越障實驗，越障過程如圖13所示。

圖13 隧道救援用履帶式機器人爬越臺階過程圖

實驗結果表明，機器人能順利爬越250 mm高的臺階障礙物，每次完成時間在10～15 s，滿足設計要求。實驗結果如圖14所示。

圖14 隧道救援用履帶式機器人爬越臺階單側電動機力矩輸出情況

對圖14中的第②階段進行分析，可以看到2個電動機的變化趨勢是比較吻合的。爬越臺階的10 s和仿真爬越臺階的10 s曲線基本吻合。一開始由于之前進行了一個轉向，2個電動機的力矩有一個比較大的差值，在越障完成后機器人2個電動機的輸出力矩基本一致。電動機輸出力矩的數據處理是通過在短時間內取平均值，沒有考慮電動機在某一時刻的瞬時變化，在隨后爬越臺階的過程中可以看到曲線的變化趨勢與仿真結果一致。由此可驗證隧道救援用履帶式機器人的運動學和動力學在理論上都具有合理性。

5 結語

本文設計了一種適應能力強的雙擺臂隧道救援用履帶式機器人，提出了整體的結構設計與控制系統設計方案，建立了機器人爬越臺階的動力學模型。采用經典的動力學分析軟件ADAMS對機器人越障過程進行了仿真，在越障實驗中機器人可以穩定地爬越250 mm的障礙物，驗證了機器人整體結構和控制系統的合理性與有效性，能夠滿足在復雜隧道環境中穩定工作的要求。

雖然設計的機器人在非結構化道路行走中已經初步達到預期目標，但機器人在擺臂的控制方面缺少靈活性，在軟件控制方面應具有機器人自主控制的能力。在該機器人底盤的基礎上，可以深入研究隧道救援的上層算法部分，比如自主探索隧道算法。