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我国马铃薯的种植范围非常广、品种多、产量大，如果储藏方法得当，保鲜期可以达到一年以上，可以做到全年供应，不仅丰富了老百姓的菜篮子，同时也为广大农民朋友带来了较好的经济效益。
生姜不仅是我们生活中常用的调味品，也是重要的中药材之一。近些年生姜市场繁荣，不少农民开始种植生姜，但是由于储藏技术不过关，仅存一两个月，就开始腐烂变质，造成严重损失。 本期节目现在为大家介绍马铃薯储藏保鲜技术和生姜井窖储藏技术。
马铃薯储藏保鲜技术
一、马铃薯的科学贮藏保鲜条件：
马铃薯品种较多,按皮色可分为:白皮、红皮、黄皮和紫皮四种类型,其中以红皮种和黄皮种较耐贮藏。马铃薯适宜的贮藏温度为3-5℃,相对湿度90—95%,4℃是大部分品种的最适贮藏温度,此时块茎不易发芽或发芽很少,也不易皱缩。另外,土豆收获后有明显的生理休眠期,为2-3个月。
马铃薯贮藏前要严格挑选,去除病、烂、受伤及有麻斑和受潮的不良薯块。收获前一周要停止浇水,以减少含水量,促使薯皮老化。以利于及早进入休眠和减少病害。采收后在较高的温湿条件下(10-15℃,相对湿度95%)进行愈伤处理,以便恢复收获时的机械损伤,然后即可贮藏。
二、马铃薯的3种基本科学贮藏保鲜方法
1、马铃薯堆藏贮藏保鲜方法：选择通风良好、场地干燥的仓库,先用福尔马林和高锰酸钾混合熏蒸消毒,之后,将土豆入仓,一般每平方米堆750公斤,高约1.5米,周围用板条箱、箩筐或木板围好,中间放若干竹制通气筒。此法适于短期贮藏和秋土豆的贮藏。
2、马铃薯通风库贮藏保鲜方法：将马铃薯装筐堆码于床内,每筐约25公斤,垛高以5-6筐为宜。此外还可散堆在床内,堆高1.3-1.7米,薯堆与库顶之间至少要留60—80厘米的空间。薯堆中每隔2-3米放一个通气筒,还可在薯堆底部设通风道与通气筒连接,并用鼓风机吹入冷风。秋季和初冬,夜间打开通风系统,让冷空气进入,白天则关闭,阻止热空气进入,冬季注意保温,必要时还要加温。春季气温回升后,则采用夜间短时间放风、白天关闭的方法以缓和库温的上升。
3、马铃薯药物贮藏保鲜方法：贮藏中采用青鲜素(MH)或荼乙酸甲酯等药剂处理,可以抑制或减少发芽,还能抑制病原微生物的繁殖并能防腐。方法是：98%的奈乙酸:丙酮:细泥土:土豆=1:2:100:3300。以500公斤薯块为例,需要98%的荼乙酸甲酯1.5克,溶解在30克丙酮或酒精中,再慢慢拌入1—1.25公斤干细泥土中,快速充分拌和后,装入纱布或粗麻布袋中,然后将药物均匀地撒在500公斤薯块上,药物要现用现配。
在贮藏时,四周可遮盖1—2层细板纸。使药物在相对密闭的环境中挥发。药物处理的时间以收获后2个月左右比较适宜(即在休眠期)。否则经过休眠期开始萌芽的马铃薯,即使用药物处理,仍不能抑止发芽。
三、马铃薯贮存保鲜的多种方法
1．马铃薯萘乙酸甲酯处理法：将浓度为98％的萘乙酸甲酯150克溶解在300克丙酮或酒精内，拌入10至12．5公斤细土，均匀地撒在马铃薯块茎上。马铃薯散堆或装箱后，要覆盖一层报纸或麻布。
2．马铃薯抑芽剂处理法：在采收前7天用0．25％的马来酰肼喷洒植株，24小时之内如遇雨要重喷一次。经如此处理后按常规方法贮存。
3．马铃薯香料保鲜法：杏仁、桂皮、枯茗、薄荷油、麝香草等香料能使食物更加美味可口，而最新的实验结果表明，它们还能为马铃薯保鲜。
4．马铃薯茉莉香精贮存法：赋予茉莉以独特清香的茉莉酮酸甲酯可以用来防止马铃薯在冬季贮藏时发芽。它还有一个优点，就是它并不妨碍收获时受伤马铃薯的伤口愈合，而且不会留下任何气味。
生姜井窖储藏技术
一、 生姜井窖建设
1、 生姜井窖建设选址： 储藏生姜的井窖应选择土质粘重、地下水位低的场所。一定要远 离水井、 水渠及灌溉区。 因为在这些地方建窖， 不仅容易使窖内渗水， 严重了还会导致窖室坍塌。
2、 生姜井窖建窖：井窖由井筒及贮姜洞组成，井筒的深度依地下水位高低而不同， 北方一般 5～7 米，南方 2～3 米，以不出水为宜。修建井窖时，先挖 1 个直径 80 厘米的圆井口，随着往下挖，井筒直径逐渐扩大，至底 部时直径达 1～1.5 米，整个井筒呈喇叭型，方便搬运生姜。在挖井 筒时,需在两侧挖坎,以便人员下井工作。井筒挖好后，在井底侧旁再 挖 2～3 个贮姜洞，洞口的高度与宽度各 80 厘米左右,洞口里面随挖 随向两侧及上方扩大,使贮姜洞高达 1.5～1.8 米,宽 1.2～1.4 米， 以 便于工作。贮姜洞的长度依贮姜多少而定,一般长 3～5 米，每个贮姜 洞的容积为 5.4～12 立方米,可贮姜 1200～3000 千克。井窖挖好后, 还需要用砖石砌建井口,使井口高出地面 40-50 厘米,以防雨水流入 窖内。
二、 生姜合理采收与挑选：
生姜在瓜果蔬菜的储藏过程中，由于受生理化的作用，再加上病虫害 等因素的影响，果蔬腐烂变质的过程非常复杂，往往这一环节问题解 决了， 另一环节的问题又冒出来了。 就生姜而言， 涉及到采收、 运输、 入窖等多个环节， 只要其中一个方面出了问题， 就达不到保鲜的效果。 所以说，要想储藏好生姜，第一步就是要把好采收这一关。储藏 用的姜应该是充分长成的根茎，北方地区一般在霜降前后收获，要避 免在地里受霜冻。采收时检查根茎是否充分成熟、饱满、坚挺，而且 表面呈浅黄色至黄褐色， 叶片半干萎。 那些表皮容易剥落， 已经发芽、 皱缩、软化或者表面变成紫色的姜块都不适合贮藏。
收获生姜应该选择阴天或晴天早晨进行，不要在晴天烈日下收获， 以避免日晒过度；雨天和雨后收获的也不耐储藏。姜采收时，要尽量 减少机械损伤，刨姜时要深挖、慢挖，不要铲断姜块。如果姜块上带 的泥土太多，可以适当抖一抖，或者用手掰除多余的泥土。在这儿， 需要再次提醒您的是，如果窖内湿度较小，就是说在 90％以下，那 么采收前要给姜浇一次水； 如果窖内的湿度比较大， 姜就需要干一些， 对于带泥过湿的姜可以稍加晾晒，但不要在田间过夜。这样做是因为 生姜在储藏过程中需要的湿度较大，在 90％左右，控制好储藏环境 从生姜采收就开始了。 整株姜刨出后，剪去多余的茎叶，留 3 厘米左右的茎秆，便于储 藏和养分的回流。另外，用于贮藏的姜要严格挑选，挑选大小整齐、 质量好、无病害的健壮姜块进行贮藏，剔除受冻、受伤、干瘪、有病 和受雨淋的姜块，因为这些姜在储藏过程中都会使呼吸加强，而呼吸 作用越旺盛，生姜的各种生理过程的变化越快，生命终止就越早，不 利于贮藏。
三、生姜储藏入窖前的准备：
生姜入窖前，应提前几天打开窖口通风换气，排去窖内过高的温、 湿度，以保证窖内有足够的氧气和适宜的温度供人活动。另外，需要 注意的是，在储藏期覃蚊幼虫导致生姜糠头，也叫虫头，为了解决这 一问题，应从清理窖洞开始，将窖洞清理整洁后进行消毒。具体方法 是：储藏前刮去窖内表土层 2～3 厘米厚，露出新土层，然后撒适量 多菌灵可湿性粉剂或生石灰消毒。
四、 生姜入窖摆放：
生姜收获当天就要入窖摆放。在运输过程中 一定要轻拿轻放，生姜下井时尽量不要碰到井筒壁，以免蹭破姜皮， 造成机械损伤。 生姜入窖后集中码放，码放时把生姜竖立排紧，保持生姜根部向下， 小的插缝，摆 2～3 层姜撒上薄薄一层多菌灵粉剂（字幕：50％的多 菌灵每 100 千克姜用 8 克）。注意，窖室内放姜不要太满，占到整个 贮姜洞的三分之二，最上 1 层姜也要距离窖顶 30 厘米左右，这样做 有利于通风散热。
五、 生姜井窖储藏管理：
生姜喜温暖湿润，不耐低温。适宜贮藏温度为 10-15℃，空气相对 湿度为 90%左右。 贮藏湿度过大有利病菌繁殖而导致腐烂； 湿度过小， 会造成姜失水发生干缩，降低食用品质。 下面我们从三个方面给您介绍生姜储藏期的管理。
1、生姜井窖要敞窖散热： 储藏初期，由于姜刚收获，释放的热量和水分较多，窖内会形成 一个高温、高湿的环境，因此在储藏初期不要封口，任期放置 10～ 15 天，实行自然通风，为生姜顺利通过“圆头”过程创造良好的环 境。“圆头”是生姜入窖后姜根茎逐渐老化，皮肉相合不再脱皮，剥 除茎叶处的疤痕逐渐长平，顶芽长圆的过程。
敞窖 7 天后每早晚人工送风一次，送风时间根据储藏量和电机的 功率而定。以一个井窖储藏 5000 千克生姜计算，使用 300 瓦的风机 每天早晚各送风半小时，150 瓦的风机每天早晚各送风 1 小时。大概 一个月左右，生姜圆头过程结束，此时停止送风。需要提醒您的是， 圆头期间因姜块呼吸作用旺盛，大量释放二氧化碳，窖内严重缺氧， 人切不可下窖查看。
2、生姜井窖要定期查窖： 圆头之后，姜块呼吸作用减弱，这时要密切注意窖内温湿度情况 和生姜的变化。储藏初期应多检查，半月后至井口封严前每 10～15 天查窖一次。一般情况下，窖内温度控制在 10～15℃，湿度保持在 90％左右就可以了。在这儿，我们向您介绍姜农确定井窖湿度的一个 土法：从窖内土壁上取一撮土，先用手感觉土壤是不是湿湿的、凉凉 的，然后打散，能轻易能揉成团就证明窖内湿度符合生姜储藏需要。 如果生姜发芽则证明窖内温度过高，可适当通风降温，并随时将 发霉腐烂的姜块捡出地窖，防止病菌传播。
3、生姜井窖要渐进覆窖： 随着外界气温的降低，窖内温度逐渐下降，当窖温低于 10℃，逐 渐封闭井口。 封口时用石板掩盖井口， 防止冷风侵窖冻伤姜块。 注意， 不要一下封死，石板与井口的夹角随外界气温的降低而变小，一般在 大雪前将石板盖严，冬至前后用土掩埋并拍实。若天气寒冷或井窖较 浅，可适当早盖。
生姜井窖封严之后，不要常下窖查看，以保持井窖 内部良好的自发保存条件。 生姜耐储藏，如果管理得当，保存 1～2 年很容易。储藏的姜可在 第二年随时供应消费，但必须一次出窖完毕。
挖洋姜
11月15日星期日，在一个阳光明媚的上午，我们去益方教育学堂学习国学，结果，竟然吃完加餐后没去学国学，而是开始挖洋姜了。
一开始，我就拿把铁锹一直在那铲着，铲啊铲啊，一直都没有铲着，我使劲挖着……突然，我挖不动了，我就上脚踩，结果一踩一挖，啊，好多洋姜啊！结果，刚挖着洋姜，就有人要在我发现洋姜的地方挖了，我只能去根别人一起去挖洋姜，然后，男刘老师把一块砖搬开，然后说让我在那里挖吧。我就在这里使劲的挖着，可是什么也没有再出现了，突然，老师又让我去已经挖过的地方挖，啊，又出现了好多洋姜，不知不觉，洋姜已经挖到了白热化阶段，有一次，我还挖到了花生，后来，我想问老师，“为什么别人挖过的我还能挖出来，别人没挖过的，我一点也挖不出来了呢？”老师说：“原来，这个土越深，挖的洋姜就越多”，接着我就跟我的朋友们一起往深挖，有时我还哼起小调：挥起土啊洋枪（姜）……
而我的朋友们，有的在挑洋姜，有的在挖洋姜，有的在砍洋姜树，不一会儿，我们的洋姜装了一大筐，可是，我们的洋姜还是源源不断地往外送，结果，又装了半筐。后来老师说“留着点吧，给大班的小朋友们留着点”，这我们才不挖了。突然，我们看到，就剩下百分之十的洋姜树了，还挖
了一筐半的洋姜，我们这才收手，各找各妈回家了。
姜的加工技术
姜多生长在我国的中部、东南部和西南部。是多年生宿根草本植物。根茎肉质，肥厚，扁平，有芳香和辛辣味。
生姜根系不发达，入土浅，主要分布在30厘米左右的范围内。姜的根茎节多而密，姜块数多，双层或多层排列，叶子排列两行互生，呈针形状。
姜对光照反应不敏感，喜欢在阴凉下生长，光呼吸损耗仅占光合作物的2％～5％，为低光呼吸植物。其发芽和根茎膨大需在黑暗的环境下进行。
姜不仅能调味，还有发汗解表、健胃止呕、解毒消肿的功能。姜含有植物杀菌素，有较强的杀菌作用。姜中的油树脂，可抑制人体对胆固醇的吸收，防止肝脏和血清胆固醇的蓄积。
根据姜的外皮色分为黄姜、紫姜、白姜等。
白姜是生姜中的极品，其原料洁白鲜嫩、品质超群，曾作为皇家贡品为铜陵八宝之一，含有丰富的蛋白质，人体所须的氨基酸、维生素和钙、铁、锌、等29种常量元素及微量元素。
本期节目我们以白姜为例,给大家介绍姜的加工技术。
姜的加工主要包括姜的初加工和后期的精加工两部分。(字幕)
白姜的初加工(字幕)
首先用铁锹把姜从地里挖出，挖姜时铁锹离姜约10公分，以免挖坏姜块。待姜露出地面时，用手抓住茎干，把姜拽出放在一起。
生姜从地下挖出后，将携带的泥块抖掉或掰掉，之后在离姜约4厘米处用菜刀将姜禾砍掉，或者用剪刀剪下。除掉姜根和泥块后。放在框内。操作时力度要轻，避免把姜掰坏。
接下来要进厂内对白姜进行加工，为了保证工作环境的卫生条件，工作人员首先要更换统一的工作服。以及帽子，手套等等。
将多余的根掰掉。把大姜块掰开，并进一步清理中间的泥土。同时对姜进行挑选，查看姜肉，坏姜的肉发黑，要剔除，另外有虫眼的姜块也要剔除。放置一边。挑选出好的姜块放置在塑料框内。
抽检、清洗：(字幕)
同时还要对这批进厂的白姜进行抽检。首先观察外观，大小、姜皮颜色等，同时掰开看姜肉的颜色、观察有没有虫害或瘟姜等。接着选出两块姜，用天平称重，测含水量（字幕）。之后把两块姜放进电热恒温干燥箱内。干燥箱的温度设置在150度左右，约3小时后关闭干燥箱，打开箱门，这时姜块内的水份，基本干燥完了。约20分钟待姜凉干后，再用天平称重。根据重量差，算出白姜的含水量。相对含水量较高的姜可用来榨姜汁。含水量较低的白姜可制作姜块、姜片等。
清洗姜块时可用清洗机进行清洗，把选好的姜倒进清洗机内，进行清洗，洗去泥沙的同时也除去了姜的初皮，约5分钟后，待姜清洗干净，打开出料口，把白姜装在框内。
去皮分类：(字幕)
接下来对清洗好的白姜进行加工分类。用水果刀或裁纸刀削去初期处理时残余的姜禾，把较大的姜块切开或掰开。切的时候要从姜块之间的连接处分开。之后用小刀片刮去姜的外皮，由外向内依次刮皮。刮皮时要仔细，用力要均匀，避免过度损坏姜肉。把小姜头切掉。注意姜块之间缝隙内的姜皮一定要刮得干净，同时把大小姜块分开放置。然后对白姜进行简单的清洗。
保鲜：(字幕)
最后将清洗干净的白姜倒入装有纯净水的保鲜池内。根据姜的等级分别设有专用的保鲜池。有大有小有深有浅。并加入无公害蔬菜保鲜剂，对其保鲜、存放，便于以后的深加工。
每次对白姜加工前，都要对保鲜中的姜块进行抽检。一是看姜皮是否刮干净了，二是检测白姜的保鲜效果。
蜜汁姜块的制作
制作蜜汁姜块通常需要经过灭菌清洗——切块——无菌水漂洗——装罐——添加蜜汁料——包装等几个步骤。
清洗：(字幕)
把姜从保鲜池内捞出放在塑料框内。待水沥干后，再用无菌纯净水清洗干净。
无菌纯净水的处理：(字幕) 接下来我们了解一下无菌纯净水的处理过程。
自来水首先通过石英砂罐过虑，石英砂罐内有十三层石英砂结成，是将自来水层层处理，目的是除去水中的杂质和微生物等。之后通过活性炭罐对水进行处理，作用是吸附水里的异味。接着通过离子水处理器对水进行离子交换处理。然后通过超滤膜机处理水里的更小颗粒。最后再通过灭菌和反渗透处理。这样我们使用的纯净水就处理好了。
切块：(字幕)
在对白姜进行切块和腌制等程序时，为了保证工作环境的卫生，工作间内的紫外线灭菌灯，要提前半小时打开对工作间进行灭菌。工作人员在进车间之前，要对手进行消毒、清洗。方可进入工作间开始工作。
之后把清洗好的白姜进行切块，切块的工具也很简单，家里常用的菜刀就可以，要求切出来的姜块大小要一致，长度约3厘米。同时把残留的姜皮、姜禾刮掉和块姜放置在一块。
灭菌：(字幕)
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机械设计与制造
MachineryDesign＆Manufacture【挖姜机器】
第12期2015年12月【挖姜机器】
六足仿生森林消防机器人机构设计与分析
姜树海，张楠
江苏南京210037）（南京林业大学智能控制与机器人技术研究所，
摘森林火灾给生态环境和经济建设造成巨大威胁，基于森林地形环境下的消防作业要求，设计了一种六足森林消要：
防机器人。分析了机器人的躯体和腿部结构特点以及执行机构的空间运动范围。利用SolidWorks三维软件建模并导入ADAMS仿真软件，分别进行了机器人运动机构不同工作模式下三种运动姿态的切换、前进和斜坡的爬行仿真以及执行机构的运动仿真。分析了复杂地形条件下机器人的质心位移、运动平稳性、腿关节驱动力和末端执行器运动范围等参数。仿真结果验证了机器人设计的合理性与正确性，旨在为森林消防机器人后续的研究工作提供参考依据。关键词：森林消防；六足机器人；运动机构；执行机构；ADAMS中图分类号：TH16
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2015）12-0208-05
AnalysisandDesignofForestFire-FightingHexapodBionicRobotMechanism
ZHANGNanJIANGShu-hai，
（InstituteofIntelligentControlandRobotics，NanjingForestryUniversity，JiangsuNanjing210037，China）Abstract：Forestfireposesagreatthreattotheecologicalenvironmentandeconomicconstruction，fortherealizationoffire-fightingoperationswiththehelpofrobotinforestterrainenvironment.Aforestfire-fightinghexapodrobotisdesigned，andthemechanicalstructureofrobot，thestructurecharacteristicoflegandthespacemotionofexecutivemechanismareanalyzed.AfterestablishingthemodelwithSolidWorks，importsittoADAMStosimulateswitchesamongthreekindsofmotiongestures，movementsindifferentoperatingmodesonflatground，andtheclimbingonruggedslopes.Parameterssuchascentroiddisplacement，stabilityanddrivingforceoflegjointsareanalyzed.Itindicatesthatthemechanismdesignisreasonableandrational，whichisaimedtoprovideareferenceforforestfire-fightingrobotinthefollowingstudy.KeyWords：ForestFire-Fighting；HexapodRobot；MotionMechanism；ExecutiveMechanism；ADAMS
1引言
频繁发生的森林火灾给森林资源和生态环境造成了巨大危在火灾扑救过程中消防人员的人身安全受到严重威胁，复杂害[1]。
的森林地形环境也极大地阻碍了救援设备的进入[2]。研制能够在森林地形条件下进行火灾巡检、扑救、清理等消防作业的移动机器人非常重要。
在森林消防机器人研究领域，德国、波兰、保加利亚等欧洲国家先后研制了多种用于扑灭森林火灾的装甲型森林消防机器
[3]
人，如“GPG-10M-1”，采用履带式行走机构并配备有先进的数
六轮驱动森林消防车，配备有消防泵和小型液剂灭火器具，具有较好的越野性能。公安部上海消防科学研究所、上海交通大学和消防局共同承担的国家“863”项目“履带轮式消防灭火侦察机器
[5]
人”机器人采用轮履混合式行走机构，配备消防炮、灭研制成功。
火剂供给系统，具有一定的自动控制能力。
森林的地形环境复杂多变，消防机器人作业过程中，需要具备越障、避障、清障等功能。消防机器人携带的火灾检测、障碍物清理、灭火器具等装置作业时要求运动机构具有较高的承载力，现有的消防机器人并不能完全适应森林地形环境下的消防作业要求。森林灌木杂草丛生，机器人在行进过程中需具备清理前方障碍物能力，目前研制出的消防机器人注重的是火灾的扑救功能，对于障碍物清理装置的研制还存在不足。作为移动机器人中的一员，多足仿生机器人是在仿生学的基础上，模仿自然界生物的身体结构、运动特点和功能的特种机器人[6-8]。六与其他多足机器人相比，足仿生机器人具有稳定性好、灵活性高、越障能力强的优点[9-12]，
字通行设备和灭火装置，具有越野和排障功能，基本上满足森林消防作业的需求。美国特种机器人公司研制了“OshkoshPhoexix”消防机器人[4]，配备有高分辨率的摄像机和红通过8个轮子驱动，外扫描系统，能够在崎岖的地形环境下行驶，并能透过烟雾寻找火源位置。在国家“863”计划的支持下，我国科研人员在高端森林消防装备研究领域开展了大量的研究工作。北京林业大学研制的
来稿日期：2015-05-10
基金项目：国家公益性行业（林业）科研专项重大项目（201404402-03）；江苏省研究生培养创新工程项目（KYLX_0869）作者简介：姜树海，（1964-），男，吉林德惠人，博士研究生，副教授，主要研究方向：机器人技术、智能控制技术研究
第12期姜树海等：六足仿生森林消防机器人机构设计与分析
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可以胜任森林恶劣地形环境条件下的消防作业。文献[13-14]在从事六足仿生机器人在减灾救援领域的相关工作，在机构设计、运动和控制方面进行了较深入的研究。
将通过solidworks三维软件建立森林消防机器人三维结构模型，并通过ADAMS软件进行机器人的运动仿真，仿真结果验证了六足仿生森林消防机器人设计的合理性与正确性。
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2机器人机构设计
森林消防机器人运动机构在消防作业过程中应具有承载力高、稳定性好、机动性强的特点，具备在复杂地形环境下越障、避障的功能。设计的森林消防机器人采用对称分布方式，如图1所示。机器人运动平台的整体尺寸约为（长×宽×高）（2.2×2×1.5）m。执行机构需要满足机器人全方位空间的操作要求，并安装有障碍物的清理、余火位置检测、视觉导航等装置。
执行机构
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5.控制芯片6.上盖7.避障传感器8.底板9.支架10.灭火器
图3森林消防机器人躯干三维模型
Fig.3Three-DimensionalModelofForestFireFightingRobotTrunk
森林环境下作业的消防机器人，采用视觉和多传感器信息融合相结合的导航与定位方式，除了躯干上的避障传感器外，在执行机构顶端安装可旋转摄像头，能够全方位的采集所需要的外部环境信息。在执行机构的上臂上安装有圆锯片，清理机器人行进过程的障碍物。在火灾的检测方面，旋转臂和上臂的前端分别安装有红外传感器、温度传感器，依靠机器视觉、红外和温度传感
机械腿
躯干
器相互配合的方式准确探知火源位置。如图4所示。
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图1森林消防机器人运动机构三维模型
Fig.1Three-DimensionalModelofForestFire
FightingRobotMotionMechanism
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六足森林消防机器人运动机构需在保证机器人前进过程平稳的前提下，具有较高的承载力和移动速度。所设计的机器人各个腿的股节和膝节采用的是弧形结构，如图2所示。具体尺寸如下：基节长度0.32m，股节0.45m，膝节0.8m，单腿的最大伸展长度1.25m。
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11.摄像头12.上臂13.电机14.圆锯片15.温度传感器
16.红外传感器17.底座18.旋转臂19.伸展臂图4森林消防机器人执行机构三维模型Fig.4Three-DimensionalModelofForestFire
FightingRobotExecutiveMechanism
3机器人运动学分析
3.1机械腿运动学分析
3
θ1
4
x0
x1z2
y0
θ2
x2z3
θ3
z0
z1y1
L1y2
L2y3
x3L3
1.基节2.驱动电机3.股节4.膝节图2森林消防机器人腿部结构三维模型Fig.2Three-DimensionalModelofForestFireFightingRobotLegStructure
森林消防机器人六条腿均匀的分布在躯干周围，这种设计可以减少运动过程中腿部之间的干涉，使机器人运动过程的稳定性得到进一步提高。躯干分为上底板和下底板，如图3所示。分别由2块和3块独立的金属板连接而成，不仅增加了运动过程的柔性，并减少了森林火场高温环境下热胀冷缩所带来的机体变形。上下底板之间距离30cm，可以放置干粉灭火器等消防装备。机器人在行进过程中，遇到障碍物时，通过躯干上盖周围安装的六个避障传感器来获取周围环境的障碍物信息，分析这些信息建立相应的模型，为障碍物的检测与下一步避障做好准备。
z4
x4
y4
图5机器人腿部坐标系
Fig.5CoordinateSystemofRobotLeg
为了有效分析机构设计的合理性，需要通过对运动平台进行运动学与动力学分析。六足机器人步行过程中根据运动状态的不同分为摆动腿和站立腿，摆动腿通过运动学分析确定腿的末端与接触面点的位置，以步行足运动学正逆方程为基础，驱动各关
210机械设计与制造
αi—扭转角；di—连杆长度；βi—关节转角。表中：
执行机构末端执行器的正运动学方程为：
No.12
Ｄｅｃ．２０１５
节的运动，使步行足末端准确到达步态规划出的相应位置。
）方法建立步行足局部坐标根据D-H（Denavit-Hartenberg
系，如图5所示。X1Y1Z1是机器人基关节坐标系，X2Y2Z2是机器人股关节坐标系，X3Y3Z3是机器人膝关节坐标系，X4Y4Z4是机器人足端点坐标系，步行足的D-H参数，如表1所示。
表１腿部各关节参数与转角
Ｔａｂ．１ＰａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅＡｎｇｌｅｏｆＥａｃｈＪｏｉｎｔｉｎｔｈｅＬｅｇ
杆件1234
αi-109000
li-10l1l2l3
θiθ1θ2θ30
T5=T1T2T3T4T4=
T
01233
0001
RP
（3）
PxPyPz0P=0；R—末端执行器相对于基坐标的姿态矩阵；式中：
P—末端执行器相对于基坐标的位置向量。解得：β2+β30β2+β3+β40cosβ1+d4cos0cosβ1（4P=d2cosβ2cosβ1-d3sin0）
β2+β30β2+β2+β40d1-d2sinβ2-d2cos0-d4sin0
0000000000
β2+β30β2+β3+β40d2cosβ2sinβ1+d3sin0sinβ1-d4cos0sinβ1
0000000000
4运动仿真及结果分析
从森林消防机器人自身质量、构件强度以及负载能力的角度出发，设定六足森林消防机器人的材料为铝合金，机器人总体质量约为690kg，每条腿的质量约为60kg，根据六足机器人实际运动情况设定各个关节的约束，机器人腿与躯体及各个腿关节之间添加转动副，通过电机驱动，并根据不同的地形条件添加适当的驱动函数。
表中：αi-1—关节i和i-1的夹角，i的取值范围是1~4；li-1前一关
节i-1的长度；di—关节i-1和关节i之间的偏置；θi—关节i-1的转角，为由关节i-1的轴线绕关节i和i-1两关节公垂线转至i关节的角度。
i-1
相邻坐标的转换矩阵为Ti，（1）所示：其标准形式如式cosθi-sinθ10li-1i-1cosαi-1sinθ1cosαi-1cosθi-sinαi-1-disinαi-1
（1）Ti=
sinαi-1sinθisinαi-1cosθicosαi-1dicosαi-1
0001
将表1中参数带入式（2），由机器人步行足坐标系的转换矩
0000000000
00000000000
4.1运动仿真
（A）
（B）
阵T4=T1T2T3T4计算得各足足端位置为：
00000000
00123
px
0θ2+θ30l2cosθ2+l10py=lsinθ1cos0+sinθ100000pzθ+θ00l2sin23+l2sinθ2
000000000
000300010000
θ2+θ20l2cosθ2+l100lcosθ1cos0+cosθ100
（2）
（C）（D）
在机器人行走过程中通过确定机械腿足部端点运动轨迹，继而由逆运动学求解得出各关节的转角基关节θ1、骨关节θ2、膝关节θ3，然后作为输入信号驱动机器人行走。
（E）
（F）
3.2执行机构运动学分析
为了描述执行机构各关节之间的相互运动关系，获取末端执行器的位置姿态信息，根据D-H方法建立机器人执行机构单臂坐标系，如图6所示。各杆件和关节参数，如表2所示。
Z3
Z2
O2
d2β2Y2
X2
O3
β3
Y3X3
Z4β4Y4d
O5
4
图7机器人平坦路面和爬坡运动仿真
Fig.7RobotMotionSimulationinDifferentOperatingModes
onFlatGroundandtheClimbingonRuggedSlopes
O4
Z5
Y5
图中：A—快速爬行姿态；B—越障姿态；C—正常行走姿态；D、E、
F—翻越斜坡。
森林消防机器人在消防作业过程中根据不同的地形条件灵活采取相应的行进方式。在较为平坦的路面行走时，机器人的腿部能够最大限度的展开实现快速的移动。当遇到障碍物时能及时的抬升躯体，从而有效地跨过障碍物。另外，在森林消防作业过程中，爬坡、越障、穿沟壑是机器人应具备的基本功能，运动过程中平稳性、安全性是检验机器人结构设计合理性的重要标准。机器人在平坦路面上运动过程中根据腿部的变化产生的三种不同的运动姿态以及爬坡过程的仿真，如图7所示。机器人正常情况下的行走姿态，此时机器人运动过程的稳定性最高，适宜在坡度较为陡峭的地形条件下行走，如图7（A）所示。机器人在越过障碍物时的行走姿态，机器人通过调整腿部关节的位置使躯干最低端距离地面最高，能够最大程度的越过前进过程中的障碍物，如图7（B）所示。机器人在移动速度最快时的运动姿态，机器人的腿部最
d3
X4
d1
Z1
β1
Y1O（O1）
X（X1）
X5
图6执行机构单臂坐标系
Fig.6CoordinateSystemofExecutiveMechanismSingleArm
表２执行机构参数与关节转角
Ｔａｂ．２ＰａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅＡｎｇｌｅｏｆＥｘｅｃｕｔｉｖｅＭｅｃｈａｎｉｓｍ
机械臂1234
αi-90-90900
did1d2d3d4
βiβ1β2β3β4
No.12Ｄｅｃ．２０１５
机械设计与制造
10000.05000.0L（mm）
0.0
zhixin.Translational_Displacement.X
zhixin.Translational_Displacement.Yzhixin.Translational_Displacement.Zzhixin.Translational_Displacement.Mag
211
适合在平坦路面快速爬行，如图7大程度的伸展，躯干紧贴地面，（C）所示。机器人在翻越随机曲线形成的斜坡时的运动过程，机器人根据不同的地面状况寻找足端合适的着力点，从而使机器人更好地通过较大斜坡，如图7（D）~图7（F）所示。
森林消防机器人在作业过程中需要应对障碍物问题，如林中灌木丛。机器人通过执行机构末端执行器的圆锯片进行障碍物的清理作业，清除行车障碍，消防机器人才能顺利到达火场进行火灾的扑救工作。森林消防机器人执行机构运动仿真，如图8所示。执行机构绕基座旋转，机器人在行进过程中对于前方及左右范围的障碍物进行清理，如图8（G）所示。执行机构向前最大程度的伸展，机器人可以大范围清理前方的灌木丛，如图8（H）所示。执行机构竖直方向站立时的运动仿真，此时机器人视觉范围最广，有利于森林火灾信息的获取，如图8（I）所示。森林消防机器人对于无烟、失去火焰、被灰烬覆盖的余火探测姿态，如图8（J）所示。
（G）
（H）
-5000.0-10000.0
0.0
5.010.015.0
（ts）
20.025.030.035.0
图9机器人质心位移曲线
Fig.9DisplacementCurveofRobotCentroid
Y、Z方向森林消防机器人执行机构末端执行器端点在X、以及总的位移曲线，如图10所示。在15s内进行了执行机构最大运动空间的仿真，结果显示：末端执行器在竖直方向上相对于初始位置最高能达到2.3m，最低1.2m，能够满足森林消防机器人竖直方向上的作业要求。在水平方向上，相对于最初位置最大伸展距离为2.1m，能够满足机器人在运动过程中对前方障碍物的清理工作。
2500.0
2000.01500.01000.0500.00.0-500.0-1000.0-1500.0-2000.0-2500.0
0.0
MDZXQ.Translational_Displacement.XMDZXQ.Translational_Displacement.YMDZXQ.Translational_Displacement.ZMDZXQ.Translational_Displacement.Mag
（I）（J）
L（mm）
5.0
（ts）
10.015.0
图10机器人末端执行器端点位移曲线
Fig.10DisplacementCurveofRobotEndExecutorEndpoint
越障和爬坡过程中左前腿根关节、髋关机器人35s内直行、
图8机器人执行机构运动仿真
Fig.8MotionSimulationofRobotExecutiveMechanism
节、膝关节所受力矩随时间变化的曲线，如图11所示。机器人在平坦路面爬行过程中曲线的波动范围较小，说明机器人以正常姿态爬行时所受力矩较小、运动较平稳。在爬坡过程中，机器人腿部在接触到斜坡的瞬间关节力矩有一个突变的过程，这是由于为保证爬坡过程的稳定性，机器人姿态调整时腿部受力不均所致。机器人运动过程前腿作为支撑腿时所受的力矩明显大于作为摆动腿时的力矩，而且相比较股关节和膝关节，作为支撑腿的基关节所受力矩较大，这是因为机器人左前腿、右中腿、左后腿作为支撑腿时三条腿往后蹬腿使机器人前行的结果。
20000.015000.0L（mm）10000.05000.0
0.0
0.0
JGJ_TorqueGGJ_TorqueXGJ_Torque
图中：G—执行机构旋转；H—机构最大伸展范围；I—机构抬升；
J—余火探测姿态。
4.2仿真结果分析
森林消防机器人在X、Y、Z方向以及总的位移曲线，如图9所示。在35s的时间内，机器人分别进行了平坦路面的前行、翻越斜坡以及越障姿态调整。（0~5）s内，机器人在平坦路面的爬行，处于正常站立姿态运动时，躯体最低端距离地面的距离为0.38m，此时机器人运动过程的稳定性最高。（5~33）s内是机器人的爬坡运动过程，机器人质心沿Z轴方向运动了1.75m，沿Y轴方向运动了1.92m，曲线并没有出现比较明显的波动，表明机器人能够爬越45°左右的斜坡且运动较平稳。（33~35）s内，机器人进行越障姿态下的调整，躯干最低端距离地面距离为0.83m，表明机器人在消防作业过程中依靠自身姿态的调整可越过0.8m左右的障碍物，对于在森林灌木丛生的地形环境下运动较为有利。
X轴方向是机器人的主运动方向，图9中可以看出六足森林消防机器人在整个运动过程中曲线比较平滑和规律，只是存在些许的波动。存在波动的原因一方面是机器人在刚开始启动时，各驱动关节的位置有一个突变，引起机器人的躯干发生较大范围的波动。另一方面是由于六足森林消防机器人在运动过程中会和地面发生一定的滑动摩擦，在行走过程中姿态的调整变化使得每条腿落地和抬升的时刻不同，造成机器人各个腿部和地面具有不同的摩擦力。
5.010.015.0
（ts）
20.025.030.035.0
图11机器人腿部各关节力矩曲线
Fig.11TorqueCurveofRobotLegEachJoint
5结论
为实现复杂地形环境下森林消防作业要求，设计了一款具有火灾巡检、扑救、清理等功能的六足森林消防机器人。机器人各腿部均匀分布在运动平台周围，并搭载多功能执行机构，腿的最大伸展长度为1.25m，执行机构最大伸展长度2.3m。正常运动姿态下，机器人高1.56m，其中下底板距离地面0.38m。通过ADAMS仿真结果显示机器人能够实现不同工作模式下三种姿态的自由【挖姜机器】
212机械设计与制造
全：综合版，2007（1）：161-164.
No.12
Ｄｅｃ．２０１５
在爬越斜坡切换，越障作业模式下最高可以越过0.8m的障碍物；的过程中，机器人在越障姿态下依然能够保持机体的稳定前进；执行机构末端执行相对于初始位置最大伸展长度2.1m、最高2.3m、最低1.2m，能够全方位满足机器人的障碍物清理作业。机器人运动机构整体较为平稳，说明机器人运动机构的设计是正确、合理的。但机器人在运动过程中的启动和爬坡时各个腿关节所受力矩较大，特别是在躯干与腿部相连的基关节处。运动过程中关节力矩过大会对驱动电机造成一定程度的损害，机器人的结构设计仍需要进一步优化，使其具有在不同地形环境下更好的通过能力，从而为后续森林消防机器人火灾的巡检、预警、扑救等研究工作奠定良好的基础。
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