摘 要：利用Pro／E设计步履式救援机器人及其新型越障结构，将其导入ADAMS后添加约束、运动和外力，建立机器人虚拟样机仿真模型；创建2m高垂直障碍和45斜坡的非结构化地形以建立虚拟的灾害环境；通过STEP函数来规划步履式救援机器人翻越垂直障碍和爬坡的步态，研究其在不同非结构化地形环境下的步态规划和越障性能，并分析步履复合行走结构对非结构化地形的越障性、适应性和可靠性；通过机器人实体样机越障试验验证新型越障结构的越障性以及步态规划的合理性。所得结论可为步履式救援机器人行走结构的设计优化，及其复杂地形越障能力、适应能力和越障可靠性的提高，以及越障风险性评估、步态的优化等提供参考。

    关键词：步履式救援机器人；ADAMS；非结构化地形；步态规划；越障性能

    步履式救援机器人研究项目是国家“863”计划重点项目———面向突发事件的应急处理机器人研究开发与应用的子系统之一，其目的是研制一种世界领先的具有新型越障结构的多关节、多自由度、全地形和多功能的步履复合远程遥控越障机器人。针对该项目研发的步履式救援机器人，采用轮式驱动与步履式行进相结合的越障方式，其越障结构是借鉴徐工集团ET110型步履式挖掘机越障结构而研制的。它与ET110机型的本质区别在于，ET110机型采用俯仰式前支腿越障结构，而步履式救援机器人采用可快速拆卸小轮伸缩式前支腿新型越障结构。

    该步履式救援机器人样机已研制成功，如图1所示，目前正在开展各种恶劣地形试验工作，由于非结构化地形复杂多变，危险性极高，在实体样机试验之前，针对复杂地形而进行的虚拟样机仿真分析是十分必要的。本文利用ADAMS创建包含有新型越障结构的步履式救援机器人虚拟样机模型和垂直障碍、斜坡等虚拟灾害环境，并对步履式救援机器人的新型越障结构进行步态规划和越障性能分析，可提高样机越障试验的效率和安全性。

图1 步履式救援机器人样机在进行恶劣地形试验

    1 新型越障结构

    新型越障结构包括四支腿底盘和工作臂两大部分，其结构组成分别如图2、图3所示。该越障结构能够通过各液压缸及液压马达的配合，实现四支腿底盘和工作臂的协同动作，即通过工作臂顶撑地面和四支腿底盘步行运动，实现步履式越障动作，从而实现跨越垂直障碍和大角度斜坡等障碍物。

    该步履式救援机器人的新型越障结构相较ET110机型，其创新性在于：

    1）伸缩式前腿相对于ET110俯仰式前腿，越障能力更强，越障步距更大，前腿可调节范围更大，更节省空间；

    2）无驱动的可快速拆卸的小前轮相对于ET110有驱动的不可快速拆卸的大前轮，结构更简单，拆卸更方便，整机重量更轻，能够满足直升机吊运空投灾害现场的要求；

    3）近似直短动臂相对于ET110弯动臂，工作臂摆动范围更大，重量更轻；

    4）铲斗液压缸后铰接点置于液压缸筒中部，相对于ET110铲斗液压缸后铰接点置于液压缸筒后部，铲斗摆动角度更大，运动更灵活；

    5）可调式伸缩臂滑块装置相对于ET110不可调式伸缩臂滑块装置，伸缩臂伸缩更顺畅，滑块调节更方便；

    6）应用液压管路滑车装置相对于ET110未采用液压管路滑车装置，液压管路磨损更少，寿命更长。

    以新型越障结构为主体设计步履式救援机器人整体结构，利用Pro／E 5.0建立整机三维实体模型，并利用Keyshot5软件对外观进行设计，如图4所示。

图4 步履式救援机器人三维实体模型

    2 虚拟仿真模型建立

    将Pro／E 5.0建立的以越障结构为主体的步履式救援机器人三维实体模型导入ADAMS 2013。通过布尔求和将同为一个运动部件的零件合并，各部件质量和质心按实际质量和质心设置，在各液压缸的缸筒与活塞杆之间添加移动副，在各铰点铰接处添加转动副，在各移动副处创建移动驱动，在各车轮及回转平台转动副处创建转动驱动。通过冗余检验工具检测，步履式救援机器人虚拟样机三维模型（如图5所示）显示没有冗余。

    3 非结构化地形步态规划

    步态规划的目的是在机器人开展危险越障任务之前就能通过运动学、动力学分析规划出机器人的合理越障步态，使操作人员在步态规划的指导下能够安全有效地开展抢险救援作业任务，从而有效避免机毁人亡的事故发生。

    3.1 虚拟非结构化地形灾害现场

    分别建立步履式救援机器人翻越2m高垂直障碍（见图6）和步履翻越45°斜坡（见图7）等2种非结构化地形灾害现场，并建立步履式救援机器人各车轮、铲斗、前腿支爪与各非结构化地形之间的CONTACT接触，设置重力方向垂直向下（沿-Z方向）。

图6 步履式救援机器人翻越垂直障碍非结构化地形灾害现场

图7 步履式救援机器人翻越45斜坡非结构化地形灾害现场

    3.2 步态规划

    通过STEP函数来控制步履式救援机器人的动作幅度、动作时间以及各步态动作的协调程度，以规划步履式救援机器人在不同非结构化地形的步态，从而使其顺利完成翻越垂直障碍和45°斜坡。

    机器人翻越垂直障碍的步态规划如图8所示：1）小轮朝前大轮朝后驶向垂直障碍；2）工作臂顶撑垂直障碍上表面，将小轮撑起至垂直障碍上表面；3）回转平台回转180°；4）工作臂顶撑地面，将大轮撑起至垂直障碍上表面；5）回转平台回转180°，将工作臂收回至图4所示姿态，继续行驶至垂直障碍边缘；6）工作臂展开，并顶撑地面；7）将前支腿伸出，并慢慢释放工作臂将前支腿着地；8）回转平台回转180°，工作臂顶撑垂直障碍上表面将大轮抬起；9）后支腿下摆到地面，将工作臂抬起；10）回转平台回转180°，工作臂顶撑地面将机器人姿态调整至图4所示姿态。

    机器人翻越45°斜坡的步态规划如图9所示：1）整机处于图9所示起始姿态；2）工作臂顶撑斜坡表面使前支腿离地；3）伸缩臂全部伸出，工作臂全部展开，通过工作臂伸缩展开以及大轮驱动使机器人沿45°坡行进；4）伸缩支腿伸出并支撑45°斜坡表面；5）工作臂抬起。反复执行1）~5），机器人就能够步履复合爬上45°斜坡。

图8 步履式救援机器人翻越垂直障碍步态规划与越障

图9 步履式救援机器人翻越45°斜坡步态规划与越障

    4 步态与越障分析

    图10所示各曲线为步履式救援机器人翻越垂直障碍时，底盘中心、大轮、前支爪（见表1）在Z方向坐标随时间变化的运动曲线。

    由图10可知，该步履式救援机器人大轮在40s前与水平地面相接触，Z坐标为-1.1m，50~100s与垂直障碍上表面相接触，Z坐标为0.9m，因此能翻越高度大于2m的垂直障碍。底盘中心Z向坐标主要经过两级位移增加，即由-0.9m增大到1.1 m，又经过两级位移逐步降低；而前支爪和大轮的Z向坐标均只经过一级迅速增加而达到位移最大，又迅速减小到位移最小。

图10 步履式救援机器人翻越垂直台阶底盘中心、大轮、前支爪运动学分析

    可见，在翻越垂直障碍过程中，步履式救援机器人各支腿反应灵活迅速，越障能力很强，而车身及底盘的高度及位姿变化却较缓慢。这样，既保证了机器人的越障性能及高效性，又保证了机器人车身的稳定性、可靠性及驾驶的舒适性。

    图11所示各曲线为步履式救援机器人翻越45°斜坡时，底盘中心、大轮、前支爪、工作臂齿尖（见表1）在Z方向坐标随时间变化的运动曲线。由图11可知：

图11 步履式救援机器人翻越45°斜坡底盘中心、大轮、工作臂齿尖及前支爪运动学分析

    （1）底盘中心、大轮、前支爪对应的曲线运动趋势相近，且在20s后，始终保持大轮Z向坐标高于底盘中心，底盘中心高于前支爪。这说明步履式救援机器人在步履式翻越45°斜坡过程中，越障结构姿态变化平稳，越障平稳安全。

    （2）在约15s后，上述3条曲线同时出现了3次较大的坐标增加过程。这是因为，在越障过程中，步履式救援机器人实施了3次由工作臂顶撑地面，并由伸缩臂伸缩带动整机步履式攀爬45°斜坡的越障作业。

    （3）底盘中心3次较大坐标变化分别为2.2m、2.65m和2.6m，即步履式救援机器人翻越45°斜坡的垂直步距为2.2m、2.65m 和2.6m。由于第1次步履行进翻越45°斜坡，是由平地行驶到斜坡的过渡区域，步距2.2m要小于斜坡的步距，因此取步履式救援机器人翻越45°斜坡的垂直步距为2.6m。步履行进单步耗时为25s，那么爬上一座高度为100m的45°斜坡山峰大约需要16min，这是一般的大型救援设备无法做到的。

    （4）工作臂齿尖Z坐标在底盘中心3次较大坐标变化之前的5s内，均有明显的坐标减小。这说明步履式救援机器人在步履行进前首先要降低工作臂，并使工作臂与地面相接触，通过工作臂伸长与变形完成整机的步履行进。工作臂相当于步履式救援机器人的一只驱动腿，既能完成作业任务也能完成越障任务，可以说，工作臂是机器人完成越障与作业任务最重要的执行者。

    5 试验样机试验验证

    如图12和图13所示，经步履式救援机器人试验样机翻越2m垂直障碍试验和步履复合翻越45°斜坡试验，成功验证了步履式救援机器人越障结构的高越障性能和可靠性，并证实了通过动力学仿真开展步履式救援机器人步态规划的可行性、合理性及科学性。

图12 步履式救援机器人试验样机翻越2m垂直障碍试验

图13 步履式救援机器人试验样机翻越45°斜坡试验

    6 结论

    针对步履式救援机器人，开发了一款具有结构新颖，越障能力强，重量轻，拆卸调整方便等特点的新型越障结构。利用Pro／E设计该越障结构，并将包含新型越障结构的整机模型调入ADAMS，创建非结构化地形后，通过STEP函数规划步履式救援机器人翻越垂直障碍和爬坡的步态。仿真结果表明，步履式救援机器人的新型越障结构，越障能力卓越，步态规划合理，地形适应能力强，能到达多种其他装备无法到达的非结构化地形实施救援。同时，该仿真分析的过程也使得研发人员在实体样机制造或试验之前，就能对步履式救援机器人开展步态规划和越障性能初步分析。机器人实体样机越障试验验证了新型越障结构的高越障性能、复杂地形适应性以及通过仿真进行步态规划的合理性、科学性和必要性。

    基于该新型越障结构的越障性、适应性和可靠性，步履式救援机器人将能够去到山地、林地、沼泽及沟壑等其他大型施工设备无法到达的恶劣地形环境，进行灾害抢险和救援作业，并完成灾害现场爬坡、翻越垂直障碍、涉水及跨越壕沟等越障任务，填补我国系统抢险救援装备的国内空白。针对新型越障结构的步态规划，将极大提高灾害救援可靠性及效率，赢得更多生命救援的宝贵时间，为维护社会稳定、保护人民群众生命财产安全提供强有力的保障和支撑。

    参考文献

    [1]同济大学.单斗液压挖掘机[M].北京:中国建筑工业出版社，1986.

    [2]王福德，寇智慧，张云.基于ADAMS的灾害救援机器人姿态规划与越障分析[J].建筑机械，2014（11）:71- 74.

    [3] 王福德. 一种新型六轮全地形移动机器人的设计与研究[D]. 沈阳:沈阳理工大学，2012.

    [4] 张云，王福德，刘敬安. 步履式挖掘机工作装置铰接点最大载荷求解方法[J]. 工兵装备研究，2014（1）:15- 18