总结提出了几种不同构型的履带机构。韩淑洁[9]在其设计的消防机器人中采用的是履带轮式行走机构，单边为三条链。吉林大学的李勇[5]对常见多履带行走装置布置形式进行了总结，列举出了9种履带布置形式。如图1所示。
图1 履带行走装置结构布置
文献[11]提出的基于PLC控制的摇杆履带式自主消防机器人，采用摇杆履带式行走机构。在文中对结构进行了创新设计的研究，将摇杆机构与履带机构结合移植于机器人弥补了原有产品不足。履带结构越野通过性好，摇杆结构可以优化，力学合理。消防机器人工作环境较为恶劣，其越障性能极为重要。采用履带式行走系提高了越障能力，相对轮式而言效率更高。因此对履带式行走系的应用和研究可为消防机器人行走系统提供参考。而履带式行走系统的机动性能一般包括：越障性、转向性和平顺性。
2.4.1 越障性
越障性是指机器人利用其行走机构驱使机器人移动，使其质心越过障碍的关键边界线，在此过程中机器人不发生倾覆，不受障碍卡阻，能继续保持机器人的稳定姿态与移动能力，坡路、阶梯、沟道等人工地形，影响或阻止机器人平台正常移动的地形、地物称为障碍地形，一般将障碍地形简化为斜坡、台阶、凸台3种典型特征的地形，这3种简单地形可进行组合形成斜坡、连续台阶、凸台、壕沟等障碍地形。[12]其中攀越连续台阶的的性能最能体现机器人的越障能力。对于履带机器人，只需着重分析机器人攀爬台阶、斜坡和壕沟的越障过程。
扬州大学的巩青松[13]主要是对可通过的壕沟的宽度或台阶的高度进行了分析。北京特种车辆研究所王克运[14]等对高速履带的越障过程运用Matalab/Simulink进行了动力学仿真。中国矿业大学的方海峰[15]等通过引入柔性关节设计了一种具有被动摆臂的四履带机器人，并对其越障能力进行了理论分析，采用Adams软件对该机构进行了运动学仿真，证明被动摆臂结构比同尺寸的主动摆臂形式越障能力要强。文献[16]对连续采煤机履带行走装置进行了研究，运用Adams软件对履带行走装置进行了动力学仿真，从结果中得出了驱动轮的运动特性和驱动轮和履带板之间的接触力的变化规律，可作为履带行走机构的研究提供参考。
目前而言，越障性评价指标[17]主要是：地面的单位压力、越壕能力和攀越能力。地面的单位压力定义为：
其中：Fa-整机重量；L-履带接地长度；b-履带宽度
越壕能力是指机器人在不坠落的情形下能够越过的壕沟宽度，最大越壕能力根据整机重心的位置、机器人履带接地长度、诱导轮主动轮高度及履带上升角来定。攀越能力是指机器人正好能攀登的障碍物的垂直高度。
2.4.2 转向性
转向性是履带式机械行驶理论的核心问题[18]，其转向过程是一个复杂的动力学过程，通过两侧履带产生的速度差来完成，体现其改变运动方向的能力。既和总体机构、动力、转向有关，又和地面条件有关。目前对履带式机器人转向性能的评价指标有：平均转向角速度、转向半径和转向消耗功率。按运动学特性来分，有三种典型的转向方式：中心差速式，内侧降速式（或独立式转向）和外侧升速式。北京理工大学的陈泽宇、张承宁[18]等对这典型的三种转向方式进行了运动学和动力学分析，对三种方式的转向半径的变化规律和内外侧履带功率需求进行了对比研究；并运用Matlab/Simulin平台进行了仿真。从运动特性和功率需求两大方面综合分析出，在无其他特殊要求下，采用内侧降速式最为合理。如表1如示。
表1 三种转向方式的对比分析
文献[19]在考虑了履带宽度和滑转、滑移等影响因素下，建立了四履带车辆稳态转向数学模型，并采用阻尼牛顿法对该模型进行了数值求解，分析了履带接地瞬心的偏移、履带接地长度和履带宽度等结构参数对稳态转向特性的影响，内外侧驱动力与转向半径的变化规律。同时借助RecurDyn软件对该四履带车辆进行了转向仿真，将理论值与仿真结果进行对比分析，吻合较好。对该四履带车辆的转向性能研究方法和结论对一般四履带机械的转向性能研究具有可参考意义。
文献[20]基于RecurDyn软件建立了高速履带车辆多体动力学模型和路面模型，对履带车辆在软硬路况的高速转向过程进行动力学仿真和分析，主要考虑了履带预张紧力、转向半径和路面工况对转向特性的影响。
上海汽车集团的鲁连军[21]等采用MATLAB/SIMULINK软件对电传动履带车辆的转向型进行研究。文献中建立了新的电传动履带车辆模型，对电传动履带车辆转向行驶特性进行分析，以鼠笼式异步电机模型和经典矢量控制方法为例，建立了车辆转向行驶仿真模型，分别按独立式、差速式两种方案对其转向行驶性能进行仿真分析。也有研究建立动力学分析软件和MATLAB/SIMULINK的联合仿真平台对其转向进行多工况协同仿真，结果表明，不同转向工况对电机输出特性要求不同，瞬态工况较易受转向角速度变化率影响，稳态转向很大程度上取决于转向半径[22]。
随着对消防要求和应急性的提高，对于狭窄巷道的救援抢险要求省时便捷，于是催生了双头消防车的出现。具有独特的双驾驶室和四轮转向系统，无需掉头倒车转弯、省时便捷，特别适合于狭窄街巷隧道事故救援。
2.4.3 平顺性
履带行走装置的平顺性是以搭载平台处的行驶时的振动性作为评价指标。行驶时的振动主要来自于三个方面：一是地面不平度激励对整体产生的振动，其频率范围在0-150Hz左右；二是电机工作产生的频率振动；三是行走装置运动部件内部碰撞、摩擦产生的振动。在进行仿真分析时以整机垂直方向的加速度为指标进行分析[17]。
当前对履带式车体机动性能的的研究主要是者各方面。其研究方法一般是通过理论分析、借助软件（ADAMS、RecurDyn、MaTLaB/SiMuLink）进行仿真或是对样机或实物进行试验验证。进行试验的可进行三种性能的分析，进行计算机仿真的一般只能分析转向性和平顺性，对于越障性能需要专业的履带模块或在动力学仿真软件中进行履带建模，而这需要用到宏命令也只能进行一些简单的建模，对于复杂的履带也无法进行。
3 存在问题
机器人的行走系统发展到现在，已经取得了很大的进步。对于消防机器人而言，由于其特殊性一般多选择履带式行走系统。但目前也存在一些问题：（1）结构过于复杂，质量过大。（2）机动性能不足，越障能力不理想，转向不灵活，平顺性有待提高。（3）成本过高，维护较难。
4 结束语
履带式行走系统更加适合于消防机器人的工作和性能要求。进一步提高履带式行走系统的机动性能、优化结构设计可提高履带式消防机器人的整体性能。依据行走系统的发展趋势，可尝试将轮、履、腿式行走系统应用于消防机器人。
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作者简介：乐治后（1989-），男，武汉大学动力与机械学院机械工程专业，研究方向：机械设计理论与方法。
