肖雄亮，方月娥

（1.湖南信息學(xué)院電子信息學(xué)院，湖南 長沙 410151；2.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電力工程系，湖南 長沙 410131）

1 引言

煤礦井通常具有作業(yè)環(huán)境惡劣，危險系數(shù)高的特點，礦井災(zāi)難事故時有發(fā)生。由于礦井事故現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，人工救援存在效率低、危險性高等問題，因此煤礦救援機器人成為近年來煤礦機械研究領(lǐng)域的熱點[1]。中國礦業(yè)大學(xué)研制了履帶式救援機器人，通過擺臂的攀爬機理，能夠跨越壕溝、臺階等障礙[2]，但履帶行走速度低，一定程度上會降低礦井救援作業(yè)效率；文獻[3]提出了一種六輪可變形救援機器人，具有良好的運動靈活性和越障性能，但鉸接構(gòu)型載荷能力較弱，而煤礦救援機器人需要搭載多種傳感器和救援載荷[4]。仿生機器人是模擬生物行為的機械結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對環(huán)境的自適應(yīng)，文獻[5-8]分別提出了仿尺蠖、仿蚯蚓、仿馬機器人等構(gòu)型，具備良好的地形適應(yīng)性。

在研究了多腿動物行走行為的基礎(chǔ)上，提出了一種具有輪腿結(jié)構(gòu)的救援機器人，通過控制擺腿的動作可以實現(xiàn)姿態(tài)變換，適應(yīng)礦井復(fù)雜地形環(huán)境。機器人主車體可搭載多種載荷，滿足礦井救援環(huán)境檢測作業(yè)需求。液壓驅(qū)動行駛可提供大扭矩動作，具有良好的機動性。

2 救援機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 仿生設(shè)計概念

多腿動物能夠通過調(diào)整腿部步態(tài)實現(xiàn)行走、跳躍等動作，能夠在崎嶇的地形上穩(wěn)定行走。通過抬離前腿和伸長后腿來調(diào)整身體質(zhì)心，使身體適應(yīng)障礙高度，當越障行為即將完成時，伸長前腿并抬離后腿，避免觸碰障礙。根據(jù)這種行為，設(shè)計了一種具有越障能力的多輪腿式救援機器人，如圖1所示。

圖1 多腿動物越障行為Fig.1 Horse’s Obstacle Surmounting Behavior

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

救援機器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。機器人由機體、擺腿機構(gòu)和行走輪構(gòu)成，行走輪由馬達驅(qū)動，擺動腿通過擺動馬達驅(qū)動，整車采用分布式驅(qū)動方式，控制靈活，便于在狹窄的礦井環(huán)境中執(zhí)行生命探測等搜救任務(wù)。

圖2 救援機器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Rescue Robot Structure Diagram

整車基本性能參數(shù)，如表1所示。為確定機器人關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，針對其在壕溝和臺階的越障幾何約束機理進行分析。

表1 救援機器人基本性能參數(shù)Tab.1 Rescue Robot Performance Parameter

機器人通過壕溝的幾何運動學(xué)模型，如圖3所示。

圖3 機器人跨越壕溝幾何模型Fig.3 Geometry Model of Crossing Moat

根據(jù)幾何關(guān)系可得：

式中：Smax—壕溝寬度；

L—擺臂長度；

R—車輪半徑；

L1、h—擺臂旋轉(zhuǎn)軸心到行走輪輪心的水平和垂直距離。

根據(jù)設(shè)計要求，擺臂旋轉(zhuǎn)軸心到機體上端的高度為40mm，前后擺臂旋轉(zhuǎn)中心距為620mm。因此可得：

其中壕溝寬度Smax≥300，根據(jù)幾何原理可得L的取值范圍為［120，150］，所以初選擺臂長度L=140mm。機器人前輪越障時，前擺臂抬起至最高位，如圖4所示。

圖4 機器人前輪越障示意圖Fig.4 Diagram of Front Wheel Obstacle Surmounting

根據(jù)幾何關(guān)系可得：

式中：H—障礙高度。

代入上述參數(shù)值可得H=210mm＞160mm，滿足越障性能指標要求。機器人后輪垂直越障過程，如圖5所示。

圖5 機器人后輪越障示意圖Fig.5 Diagram of Rear Wheel Obstacle Surmounting

根據(jù)幾何約束關(guān)系可得：

式中：φ—中間后輪接觸過程中底盤與臺階水平夾角；

θ—底盤后側(cè)斜邊與水平方向夾角；

β—底盤后側(cè)斜邊與機體垂向夾角。

對式（3）～式（4）代入上述相關(guān)參數(shù)值，可得 φ=23.6°，β=74.1°所以：φ+β＞90°，sinθ＜0。

此時L+R=220mm＞160mm，滿足救援機器人越障性能需求。綜合以上分析，初選尺寸滿足救援機器人設(shè)計需求。

3 救援機器人機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

在煤礦救援機器人初始結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)確定的基礎(chǔ)上，為了提高越障效率，需要對擺臂腿機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，根據(jù)前述越障分析結(jié)論可以得到優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)為：

輪式機器人的越障能力主要由前擺臂確定，初始擺臂姿態(tài)約束，如圖6所示。

圖6 初始擺臂越障姿態(tài)約束Fig.6 Initial Swing-arm Surmounting Posture

式中：L1—行走輪心之間的距離；L—擺臂長度；R—車輪半徑；θ1—車體傾角。

式（6）即為優(yōu)化約束條件。利用GA遺傳算法設(shè)置相關(guān)參數(shù)變化范圍，選擇最優(yōu)適應(yīng)度和個體，基于MATLAB的選擇過程，如圖7所示。經(jīng)過約70代優(yōu)化迭代，可確定擺臂腿的最優(yōu)參數(shù)為141.9mm。

圖7 MATLAB GA算法選擇過程Fig.7 MATLAB Genetic Algorithm Choosing Process

4 質(zhì)心運動分析

為了說明擺臂運動對機器人質(zhì)心的影響性能，建立了機器人的質(zhì)心運動模型，如圖8所示。

圖8 質(zhì)心運動模型Fig.8 Centroid Movement Model

以中后輪心為原點建立坐標系，則可得到機器人本體、前后擺臂的坐標分別為：

代入相關(guān)參數(shù)值，利用MATLAB數(shù)值仿真可得機器人質(zhì)心軌跡可行域，如圖9所示。從圖中可知，擺臂運動對機器人的質(zhì)心位置具有明顯影響，驗證了利用四足仿生擺臂腿機構(gòu)進行姿態(tài)調(diào)節(jié)的可行性，機器人最大質(zhì)心變化范圍約為200mm，該范圍內(nèi)能夠滿足機器人的越障設(shè)計指標需求。

圖9 機器人質(zhì)心軌跡Fig.9 Robot Centroid Trajectory

5 救援機器人運動學(xué)仿真

為了驗證救援機器人的越障運動學(xué)性能，在ADAMS中建立了臺階、壕溝等虛擬障礙環(huán)境，并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的參數(shù)建立了機器人虛擬樣機模型，進行運動學(xué)仿真。在野外場地垂直臺階進行了擺臂姿態(tài)實驗。

5.1 臺階越障仿真

機器人跨越臺階的過程，如圖10所示。從仿真可知，機器人可通過調(diào)整前后擺臂位置姿態(tài)實現(xiàn)整車質(zhì)心調(diào)節(jié)，并適應(yīng)障礙高度，驗證了多輪腿機構(gòu)的可行性。

圖10 跨越臺階仿真Fig.10 Crossing Step Simulation

越障過程中前后擺臂腿擺動角度的運動曲線，如圖11所示。曲線說明，擺臂運動規(guī)劃過程為典型階躍過程，擺動角度范圍為［-75°，25°］，說明所設(shè)計的擺動角度閾值合理。

圖11 越障擺臂擺角變化曲線Fig.11 Swing-Arm Changing Curve

越障過程中質(zhì)心變化曲線，如圖12所示。從圖中可知，機器人越障高度約為162mm，滿足設(shè)計指標需求。

圖12 機器人越障質(zhì)心變化曲線Fig.12 Robot Obstacle Surmounting Centroid Curve

5.2 跨越壕溝仿真

機器人跨越300mm壕溝仿真過程，如圖13、圖14所示。從圖14的擺臂扭矩曲線可知，當前輪、中輪、后輪依次觸碰壕溝邊緣時，均對擺臂的扭矩輸出穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，但當越障完成后逐步趨于穩(wěn)定，仿真表明機器人能夠通過300mm壕溝。

圖13 跨越壕溝仿真Fig.13 Crossing Moat Simulation

圖14 跨越壕溝過程擺臂扭矩曲線Fig.14 Swing-Arm Torque for Crossing Moat

6 結(jié)語

針對煤礦井復(fù)雜環(huán)境搜救問題設(shè)計了一種多擺腿式救援機器人，利用運動學(xué)約束的方法設(shè)計了機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，并利用GA算法對擺臂腿機構(gòu)進行了優(yōu)化；建立了機器人的質(zhì)心運動模型，并分析了擺臂運動對質(zhì)心位置的影響，利用ADAMS對機器人跨越壕溝和臺階的運動學(xué)性能進行了仿真分析，驗證了所設(shè)計的擺腿機構(gòu)的可行性。研究為液壓驅(qū)動救援機器人設(shè)計提出了一種新的思路。