輪足混合式消防機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

輪足混合式消機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析0引言隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及大型石油化工企業(yè)和隧道建設(shè)項目的不斷增加，危險化學品和放射性物質(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、燃燒猛烈等特點且火災(zāi)過程中會產(chǎn)生大量的有毒氣體重地危害周圍群眾和救災(zāi)人員的生命安全。因此，研發(fā)成本低、功能強、經(jīng)濟實用的消防滅火機器人具有重要意義。最早的消防機器人是1986年日本東京消防彩虹5號”機器人，可代替消防人員進入復(fù)雜地形滅火。2006，由挪威科學家研制出一種蛇形消防機器人，進入消防救援人員無法進入的場所實施滅火工作。，由德國馬格德堡一施騰達爾大學設(shè)計開發(fā)了一種球形新型消防機器人“甲蟲奧勒（”，可以用來監(jiān)測森林火災(zāi)美國HoweandHoweTechonologies司開發(fā)了一款消防機器人Thmite可解決列車脫軌事故中由核燃料和化學燃料產(chǎn)生的火災(zāi)。近年來國的消防機器人研究得到了政府和有關(guān)部門的支持西北工業(yè)大學彭濤提出一種高空消防機器人模糊控制設(shè)計方案動速度和材料制備都有很大的難度業(yè)大學的姜樹海設(shè)計了一種用于森林消防的六足機器人，但在其運動過程中關(guān)節(jié)力矩過大會對驅(qū)動電機造成一定程度的損害通大學機器人研究所的徐正飛提出集火場探測防以及有毒燃爆氣體場所探測等多種功能于一體的遙控關(guān)節(jié)式移動機器人控制系統(tǒng)仍停留于理論研究。

綜合國內(nèi)外消防機器人的研究現(xiàn)狀現(xiàn)目前對于老舊樓道窄隧道的火災(zāi)問題仍處于理論研究狀態(tài)，無法有效地對火災(zāi)進行撲滅。針對此問題文設(shè)計了一種可在四驅(qū)輪式和雙足步態(tài)行走自由切換可實現(xiàn)全方位噴射的消防機器人先對機器整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計分析次主要零部件進行SolidWorks模仿真分析MATLAB/Simulink行走裝置進行振動仿真分析。最后搭建樣機進行實驗，驗證裝置設(shè)計合理性。1結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1整體結(jié)設(shè)計本機器主要由四驅(qū)行走裝置裝置裝置裝置、火源檢測裝置、儲水裝置、電子與控制系統(tǒng)等組成，其裝置整體設(shè)計如圖1所示。1機1.2.3.火6.7.1.2工作原機器的工作原理如圖2示，其工作流程如下。

21操作人員開啟機器、遙控端電源，操作人員通過遙控端發(fā)送指令控制車身的行走，進入火災(zāi)現(xiàn)場后，啟動道路與火源檢測模式。2在道路檢測模式下，機器可在平地與狹窄隧道的道路上，進行輪式與步態(tài)越野避障行走。3在火源檢測模式下，火源檢測裝置實時檢測火源。當火源檢測裝置檢測到火源時，STM32片控制消防機器人規(guī)劃路線，循跡至火源位置。4循跡至火源位置后，消防機器人停止運動，開始定位火源，啟動滅火噴射裝置。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指定火源進行滅火噴射，其噴射形成有效的包圍圈，可有效對火源撲滅。

6在滅火過程中攝像頭實時采集圖像，通過圖像處理算法檢測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消防機器2.1行走裝的設(shè)計本機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，通過攝像頭對采集圖像進行處理測道路模式平緩道路上切換至四驅(qū)輪式狀態(tài)高機器移動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)計維模型如圖所示過攝像頭采集圖像進行處理判斷道路模式平緩道路上縮氣缸通過支架連接步進電機控制麥克納姆輪上下運動，改變運動方式。

4四2.1.2雙足行走裝置的設(shè)計針對傳統(tǒng)消防機器人無法進入老舊樓道道等地形復(fù)雜的地區(qū)的問題。本機器對行走裝置進行仿人型的足式步態(tài)設(shè)計在老舊樓道的臺階或狹窄隧道的道路上行走，提高消防機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)計在整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中臂執(zhí)行機構(gòu)為本機器的獨特設(shè)計臂執(zhí)行裝置由主轉(zhuǎn)臺、關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)3噴射器等組成。轉(zhuǎn)臂運行時，主轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，帶動關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2運，關(guān)節(jié)3隨之做旋轉(zhuǎn)運動，控制安裝在關(guān)節(jié)端的機

械臂做伸縮和旋轉(zhuǎn)運動過噴射器對火源形成有效的包圍圈據(jù)中央控制器STM32指令信號，控制水泵和流量閥進行滅火，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)行走裝置是本機器的核心裝置穩(wěn)定性SolidWorks對固定伸縮氣缸的U支架進行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)計的U型支架其應(yīng)力遠小于材料屈服應(yīng)力，滿足零件的設(shè)計要求，可保證氣缸在垂直方向的穩(wěn)定運行。為進一步保證氣缸在垂直方向的運動穩(wěn)定性Motion力學對四驅(qū)行走裝置的軌跡路線進行分析，分析結(jié)果如圖8所示。由圖8可知車輪在垂直方向為線性運動，氣缸推桿的位移量為0.48m運行時間為3.2s運行速度為0.15m/s8四3.2行走裝的Simulink振動仿真分析3.2.1四自由度機器振動模型機器在運動的過程中由于路面的不平度和車輪運動方向的轉(zhuǎn)變會導致局部產(chǎn)生劇烈的振動影響其穩(wěn)定性重大意義。

究機器振動參數(shù)合理設(shè)計具有將機器簡化為4自由度的振動模型，分別為機器本身的垂直和俯仰兩個自由度、車輪前后軸兩個自由度，振動模型如圖9示。

圖9中：m為機器重量（kg）；m為前輪重量（kg）；m為后輪重量（kg）；I車身繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量（kg.m）；θ為機器質(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為機器、前輪、后輪位移量（）；y為路面不平度的位移量（）。簡化4自由度的振動模型并進行受力分析，根據(jù)受力分析結(jié)果建立平衡方程如下。機器受力平衡方程為：

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：將上式簡化為質(zhì)量矩陣可得：式中：

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

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

機器在運動過程中于路面模型和行駛速度的不同成的路面不平度激勵是不同的了更好的進行仿真實驗路面模型簡化為正弦曲線數(shù)學模型為yπft），f=10Hz到的仿真結(jié)果如圖11所。從圖11以看出的振動曲線為簡諧振動最大值分別y=0.02059m、y=y=0.03188m

由此可知本機器的垂直自由度振動位移量完全可保證機器運動過程的平順性和穩(wěn)定性。4實驗驗證輪足混合式消防機器人雙足行走裝置的樣機模型如圖示，考慮到雙足算法走速度對雙足行走平衡能力的影響文在實驗室環(huán)境下對該消防機器人進行雙足步態(tài)算法走速度的實驗分析防機器人在一定區(qū)域內(nèi)巡邏過雙足步態(tài)行走跨越障礙物行多組實驗測試機器人的平衡能力驗數(shù)據(jù)如表2所示，在伺服舵機分步執(zhí)行值x=100的條件下，改變機器人的轉(zhuǎn)角速度，進行多組實驗，實驗數(shù)據(jù)如表3示。根據(jù)表2實驗結(jié)果可知采用該分步執(zhí)行步態(tài)算法其平衡率高達98.8%，相比于延時函數(shù)控制舵機其平衡能力增強的發(fā)生3知，舵機轉(zhuǎn)角速度越快，機器人摔倒的次數(shù)越多，平衡率越低。2

3機5結(jié)語1對機器的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并對主要零部件行走裝置和轉(zhuǎn)臂執(zhí)行裝置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。2采用三維SolidWorks進行建模仿真分析。對四驅(qū)行走裝置進行建模分析過靜力學應(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動力學對其運動軌跡進行分析果表明落時間為3.2s行速度為0.15m/s，可保證車輪在垂直方向的線性運動3對機器的行走裝置進行MATLAB/S