多節(jié)履帶式煤礦井下搜索機器人設(shè)計

機器人技術(shù)基礎(chǔ)大作業(yè)智能搜索機器人設(shè)計多節(jié)履帶式煤礦井下搜索機器人設(shè)計班級：32010704班設(shè)計小組：張吉紅、劉志偉、李澤宇、潘永飛、沈曉川、孫琛時間：2010年12月29日目錄1. 機器人設(shè)計目的·····················22. 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計·····················32.1煤礦事故現(xiàn)場環(huán)境分析················42.2煤礦搜索機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計·············42.3煤礦搜索機器人行走履帶設(shè)計·············52.3.1履帶接地應力和地面承載能力··········62.3.2地面最大推力·················72.3.3地面最大推力牽引力的影響因素·········82.4煤礦搜索機器人關(guān)節(jié)模塊設(shè)計·············92.5煤礦搜索機器人單元模塊設(shè)計·············102.6煤礦搜索機器人運動驅(qū)動設(shè)計·············123.小結(jié)···························131. 機器人設(shè)計目的近年來，隨著原油價格不斷攀高，國際能源緊張局面再次顯現(xiàn)。我國有著儲量豐富的煤炭資源，是目前經(jīng)濟發(fā)展和社會運行的主要能源之一，全球能源緊張局勢的加劇和經(jīng)濟高速發(fā)展的迫切需要，對煤炭的需求量快速增長，促使許多煤礦超量超載運營。由于對安全保障設(shè)施投入的不足或各種非法的開采，導致礦難事故不斷發(fā)生，對人民的生命安全構(gòu)成了嚴重的威脅，給社會財產(chǎn)造成了嚴重的損失。據(jù)統(tǒng)計：2005年全國煤礦共發(fā)生死亡事故3341起，死亡5986人；一次死亡10人以上特大事故58起，死亡1739人；一次死亡3-9人重大事故210起，死亡886人。從2004年四季度到2005年發(fā)生的百人以上的礦難事故就有6起。2006年1至4月份，全國煤礦發(fā)生安全事故死亡1154人，發(fā)生一次死亡3-9人的重大事故44起，一次死亡10人以上特大事故4起，一次死亡30人以上特別重大事故1起，2006年全國煤礦共發(fā)生事故294起、死亡4746人。全國煤礦平均2.5天就發(fā)生一起一次死亡3人以上的重特大事故。礦難事故主要包括瓦斯事故、粉塵爆炸事故、頂板事故、水害事故、運輸事故等，其中以瓦斯事故最為嚴重，死亡人數(shù)所占比例最大。2005年全國煤礦發(fā)生瓦斯事故405起，死亡2157人，瓦斯事故死亡人數(shù)占全國煤礦事故總死亡人數(shù)的36.0%。煤礦井下發(fā)生瓦斯、煤塵等爆炸事故后，井下環(huán)境異常兇險，搶險人員一般難以在第一時間進入，往往在井上等待很長時間，直到井下情況有所好轉(zhuǎn)才能下井，耽誤了寶貴的救援時間。事故專家和決策者也由于缺少信息無法及時做出判斷和決策，許多礦工因救援不及時而喪生?；诖?，本文提出一種多節(jié)履帶式搜索機器人攜帶各類傳感器等檢測設(shè)備，先于搶險人員進入井下，發(fā)揮自身越障功能到達礦井深處，探測井下爆炸事故破壞和環(huán)境、人員情況，并通過分散在巷道內(nèi)的小型通訊節(jié)點利用無線通訊手段將信息以聲、像和數(shù)據(jù)的形式實時反饋到控制中心，輔助指揮人員進行緊急決策或?qū)嵤┛焖佟⒂行У木戎?。該項目研究對提高煤礦事故應急搶險能力、減少人員傷亡、決策建議具有重要的意義，同時也促進了機器人技術(shù)的研究、應用和推廣。為煤礦事故處理過程中更安全、更快速地搜索被困人員、偵察和監(jiān)督危險地域情況提供一種替代人工作業(yè)的高效煤礦井下搜索探測機器人，為減少人員傷亡、確保安全生產(chǎn)提供有力支持，為煤礦生產(chǎn)現(xiàn)代化、提升煤礦安全生產(chǎn)水平起到積極的推進作用。本文研究的機器人除用于煤礦礦井安全生產(chǎn)探測以及用于搶險目的外，還可用于地鐵硫礦、銅礦爆炸等生產(chǎn)礦山和其它事故災害現(xiàn)場，廣闊的推廣領(lǐng)域極大地提高了其社會效益和經(jīng)濟效益。單元模塊對于完成搜救任務的機器人可以分為如下五個系統(tǒng)：機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和能源供給系統(tǒng)。功能實現(xiàn)在此基礎(chǔ)上發(fā)展適當?shù)闹悄芸刂?，進入到半自主和遙控相結(jié)合的階段，機器人能夠辨別障礙，構(gòu)建電子地圖，并進行自主避障、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、任務規(guī)劃等。并進一步提高機器人的搜索能力，包括特征識別、環(huán)境識別，具體為辨認幸存者和環(huán)境結(jié)構(gòu)。未來將提高機器人的視覺、機械和遠程醫(yī)療的能力，機器人將能夠救助已經(jīng)沒有意識的幸存者，能夠在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中開辟通道，可以對幸存者進行醫(yī)療救助。2.機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1煤礦事故現(xiàn)場環(huán)境分析煤礦事故發(fā)生后，井下呈現(xiàn)出非常復雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，尤其發(fā)生爆炸后，各種碎片散落堆積、并可能伴有積水、淤泥等，對煤礦搜索機器人來講，環(huán)境異常惡劣，圖2-1顯示了礦井下的一些情況。通過分析，煤礦發(fā)生事故后的地形可以總結(jié)為：(1)入口狹??；(2)有限的空間；(3)地面有積水；(4)爆炸腐蝕氣體；(5)到處充滿碎片不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；(6)缺少照明；(7)通訊困難，GPS不能用。2.2煤礦搜索機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計通過對煤礦搜索機器人使用環(huán)境分析，我們可以得出井下搜索探測主要面對四種障礙(如圖2-2所示)：(1)普通的粗糙地面；(2)相對機器人車體較高的障礙；(3)上下甚至左右都有障礙只有一個狹小的開放空間；(4)相對機器人車體較長的裂縫。機器人在煤礦井下深處所經(jīng)歷的復雜地形，對其越障能力提出了更加嚴格的要求。首先，搜索機器人必須具有很強的地形附著能力，履帶式機器人可以滿足這個要求，比輪式機器人更適合井下環(huán)境。其次，搜索機器人必須能進入狹窄空間和跨越較大裂縫(相對自身大小)。單體履帶移動機器人具有較大的體積(橫截面)，因而不能進入狹窄空間和跨越較大裂縫，而蛇形細長結(jié)構(gòu)移動機器人可以滿足這一點。另外，為了增加煤礦井下的無線通訊能力，機器人還必須能攜帶通訊節(jié)點。根據(jù)以上的應用環(huán)境條件和實際功能分析，本文研究的機器人采用五單元模塊串聯(lián)的多履帶構(gòu)型多關(guān)節(jié)鉸接的蛇形結(jié)構(gòu)34-39，如圖2-3所示。搜索機器人包括頭部單元模塊、控制單元模塊、電源單元模塊、氣瓶(防爆)單元模塊和節(jié)點單元模塊，每個單元模塊具有不同的功能，且裝有自己獨立的電機、減速器、驅(qū)動器等。單元模塊由關(guān)節(jié)串聯(lián)。另外，單元模塊內(nèi)部腔體通過軟管相連，用于布線和通氣。2.3煤礦搜索機器人行走履帶設(shè)計(劉志偉)搜索機器人的每個單元模塊采用上下左右四周包覆履帶結(jié)構(gòu)，如圖2-4所示。每個單元模塊的所有履帶由一個電機驅(qū)動，如圖2-11所示。這種行走結(jié)構(gòu)可以提高機器人的運動能力，防卡死，所有履帶采用單電機同時驅(qū)動，可以減小機器人本體的質(zhì)量和尺寸，同時也可以簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計。當機器人進入狹小空間，上下履帶可以分別與空間的上部和地面接觸，使得機器人獲得更大的前進動力；并且上下履帶在前進過程中會將上方落下的障礙物和地面上的障礙物卷向后方，以“挖掘”的方式前進，可防止機器人被障礙物卡死。當機器人在井下復雜彎曲巷道中前進時，側(cè)履帶與巷道側(cè)面的接觸有利于助推和轉(zhuǎn)向。當機器人車體發(fā)生大的傾斜，下履帶不能很好地附著地面時，側(cè)履帶與巷道底面的接觸和相對運動可以起到助推的作用；當有比較大的轉(zhuǎn)彎時，側(cè)履帶與巷道側(cè)面的接觸不但避免了車體卡死，還能以較大的驅(qū)動力輔助轉(zhuǎn)彎。對于履帶式移動機器人，履帶與地面的相互作用直接影響其運動性能。機器人與地面屬性是緊密聯(lián)系的，它們之間有整體不可分離性，所以需要全面考慮履帶-地面作用對機器人結(jié)構(gòu)的影響。2.3.1履帶接地應力和地面承載能力履帶可以看作搜索機器開，機器人在上面通過，然后力較低的地面，且牽引力較大。履帶可分為剛性履帶和柔性履帶兩種：剛性履帶能夠阻止履帶向內(nèi)屈曲，保證非常均勻的接地壓力，限于低速車輛；柔性履帶分為連續(xù)履帶和間隔履帶。本機器人的履帶可以歸類為柔性連續(xù)板銷型結(jié)構(gòu)。本機器人的履帶負重不大，但負重輪位置壓力與負重輪間壓力有差值，所以采用履帶下的平均最大壓力pmm（定義為所有負重輪下最大壓力的平均值）作為評價機器人軟地性能的指標。pmm 按式2-1估算。pmm = （2-1）其中： W：機器人質(zhì)量（kg）；n：一條履帶上的負重輪數(shù)；b：履帶寬度(cm)；d：負重輪外徑(cm)；p：履帶節(jié)距(cm)。 通過該公式計算本機器人的pmm75kPa。對于履帶車輛，當pmm值低于166.6kPa時，在軟地上有很好的機動性，當超過294kPa時，在軟地上的機動性會受到很大限制。對于泥炭沼澤地區(qū)，要求pmm不超過49kPa，可見該地區(qū)本機器人難以通過。使土體失去整體穩(wěn)定的載荷Wc稱為極限載荷，即地面的極限承載能力。取兩種典型情況地面的計算結(jié)果，即摩擦性土壤和內(nèi)聚性土壤。 式(2-2)和(2-3)說明：在摩擦性土壤中，履帶下土壤的承受能力與履帶寬度的平方成正比，為提高承載能力，應該縮短履帶接地長度增加履帶寬度；對于內(nèi)聚性地面，臨界載荷僅取決于履帶接地面積。2.3.2地面最大推力履帶車輛所能產(chǎn)生的最大牽引力主要與地面所能產(chǎn)生的最大推力有關(guān)由土壤的抗剪強度所決定的推力稱為土壤的最大推力，用FHmax表示。根據(jù)庫侖方程并考慮履刺產(chǎn)生的附加牽引力，土壤的最大推力為：取兩種典型地面進行分析，即摩擦性土壤和內(nèi)聚性土壤：由式(2-7)和(2-8)可以看出：履刺在摩擦性地面中的作用不大，但在內(nèi)聚性地面中履刺的作用就很顯著，若hb=0.2，牽引力就可以提高40%。煤礦井下地面土質(zhì)情況由于可能有水分的存在，會兼有粘性和摩擦性，所以在履帶上設(shè)計履刺對提高機器人的行進能力會有幫助。2.3.3地面最大推力牽引力的影響因素滑轉(zhuǎn)率i=0時即地面為純剛性情況，不發(fā)生剪切變形；滑轉(zhuǎn)率i=100%時為履帶完全打滑狀態(tài)。由于在實際情況中履帶接地的法向壓力分布很少是均勻的，不同的分布情況對牽引力有不同的影響。主要考慮五種典型分布：(1)法向應力從前向后呈線性增加；(2)法向應力從前向后呈正弦分布；(3)法向應力從前向后均勻分布；(4)法向應力從前向后呈弧形；(5)法向應力從前向后呈線性減小。由上式可以得到各種不同分布壓力情況下的牽引力-滑轉(zhuǎn)率關(guān)系，在摩擦性地面中，滑轉(zhuǎn)率一定時，分布1牽引力最大，5最小。所以在機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對每一單節(jié)的質(zhì)量安排盡量呈從前向后線性增加的分布。由于機器人質(zhì)量比較小，只有50kg左右，每節(jié)采用兩條寬履帶，對地壓強比較小，又整體結(jié)構(gòu)為串聯(lián)，行駛過程中縱傾和下陷量都很小，所以履帶-地面相互作用效應很小，可以用前面的公式近似計算分析。數(shù)學建模時可以近似認為履帶下的法向壓力n是均勻的，得到：可以看出，具有相同接地面積的履帶在相同地面上行駛，要發(fā)揮相同的牽引力，短而寬的履帶要比長而窄的履帶滑轉(zhuǎn)率大，也就是說長而窄的履帶比短而寬的履帶具有較小的障礙阻力和運動阻力。這與前面提到的提高履帶承載能力是一對矛盾。2.4煤礦搜索機器人關(guān)節(jié)模塊設(shè)計機器人的五個單元模塊由關(guān)節(jié)(外形尺寸約104x60x60mm)(如圖2-5所示)串聯(lián)起來，實現(xiàn)偏航和抬頭運動。通過對其應用環(huán)境和搜索的功能要求分析，可以得出運動時各關(guān)節(jié)的動作關(guān)系：偏航自由度和俯仰自由度都可以實現(xiàn)主動和被動的切換。當關(guān)節(jié)主動控制時，可以實現(xiàn)對任意單元模塊的偏航和俯仰；當關(guān)節(jié)被動時，機器人可以根據(jù)不規(guī)則地形被動的調(diào)整自身姿態(tài)，使履帶有效覆蓋地面，靈活適應地形，尤其適用于井下交錯地形；由于受到整體尺寸的限制，本機器人不含側(cè)傾自由度，但偏航和俯仰自由度的組合，可以在一定程度上彌補其缺陷。關(guān)節(jié)將行走單元模塊串聯(lián)成細長結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)直線運動、轉(zhuǎn)彎運動和翻越障礙。關(guān)節(jié)主動時，機器人可以“抬頭”，從而翻越高達兩個單元模塊長度的障礙，穿越上下甚至左右都有障礙的狹小空間，跨越相對機器人單元模塊較長的裂縫，進入目標區(qū)域執(zhí)行搜索任務。2.5煤礦搜索機器人單元模塊設(shè)計（張吉紅）本課題所研究的機器人采用五個單元模塊串聯(lián)的蛇形結(jié)構(gòu)，各個單元模塊具有不同的功能要求，但是具有相同的行走運動單元，只是由于單元模塊的長度不同，四周包覆履帶的長度不同而已。頭部單元模塊(外形尺寸約240x200x180mm)(如圖2-6所示)是機器人的感知系統(tǒng)，安裝有攝像頭和甲烷傳感器等所需的檢測設(shè)備，同時由于井下光線的限制，還配有照明設(shè)備，相當于機器人的“眼睛”，“鼻子”，“嘴巴”和“耳朵”等，可以探測井下機器人周圍的環(huán)境信息，包括圖像，氣體，風速，濕度，溫度等等，同時還可以搜索事故后的生命信息，并進行簡單的交流。這樣，控制中心就可以根據(jù)采集的井下數(shù)據(jù)信息進行分析，判斷井下的環(huán)境是否適于救援，為事故后及時有效的搜救提供有力的依據(jù)。控制單元模塊(外形尺寸約320x200x180mm)(如圖2-7所示)是機器人的信息處理系統(tǒng)，相當于機器人的“大腦”，主要完成運動控制、傳感器信息的處理和與控制中心進行通訊等功能，內(nèi)部裝有基于ARM的主控制器、各電機控制器、多種傳感器、無線射頻收發(fā)器等。機器人以局部自主的形式在井下完成搜索任務，能在一定程度上自動的實現(xiàn)簡單的避障和自身位姿的調(diào)整。電源單元模塊(外形尺寸約340x200x180mm)(如圖2-8所示)攜帶較大的鋰聚合物電池，為各單元模塊供電，是機器人工作的動力來源。由于質(zhì)量比較大，考慮到機器人的機動性和越障靈活性，將其置于中間，同時為了避免安裝空間的限制，也可以為每個單元模塊配備相對較小的電池，以減輕電源單元模塊的負擔。受到機器人總體尺寸的限制，不能采用有纜的方式供電。電池24V供電，形狀和體積將受到單元模塊設(shè)計空間的限制和影響。氣瓶(防爆)單元模塊(外形尺寸約320x200x180mm)(如圖2-9所示)攜帶高壓氣瓶，為機器人內(nèi)部腔體提供惰性氣體，利用正壓防爆。如果機器人按照隔爆的標準設(shè)計，殼體會很厚，導致機器人的總體質(zhì)量遠遠超過設(shè)計的技術(shù)指標，而且電氣系統(tǒng)做到本安設(shè)計是非常困難的，利用正壓防爆適于本機器人的設(shè)計。氣瓶的形狀和體積同樣受單元模塊安裝空間的限制，壓力和容量要適應于機器人殼體的密封狀況和機器人的工作時間要求。節(jié)點單元模塊(外形尺寸約310x200x180mm)(如圖2-10所示)位于機器人的尾部，帶有搭載艙，裝有多個移動通訊節(jié)點，具有可開閉艙門，在行駛的過程中，根據(jù)通訊信號的衰減程度，每隔一定的距離，以“吐”的方式釋放通訊節(jié)點，作為在井下通訊強障礙的環(huán)境中的通訊中繼。本模塊具有釋放節(jié)點的機構(gòu)，且艙內(nèi)必須能夠存儲足夠數(shù)量的通訊節(jié)點。節(jié)點必須按照本安的標準設(shè)計，在工作和遺棄時均不能引起井下可燃氣體的爆炸，由于節(jié)點的加工成本要比實現(xiàn)節(jié)點回收技術(shù)的代價低很多，所以目前，節(jié)點不回收。2.6煤礦搜索機器人運動驅(qū)動設(shè)計本課題所研究機器人的運動包括行走和關(guān)節(jié)驅(qū)動，關(guān)節(jié)包括俯仰和偏航兩個自由度。機器人的主要設(shè)計指標是：質(zhì)量m <45kg，翻越30度斜坡和臺階，最高速度v max=0.25m /s，機器人的總體尺寸約1700x200x180mm，疊合約750x200x400mm。機器人行走運動設(shè)計：履帶輪的有效半徑r 0=15mm，由v max=0.25m /s可以得出履帶的轉(zhuǎn)速n 1160r/min，由翻越30度斜坡可以得出履帶的扭矩M1 1.1397Nm取2Nm，進而可知行走電機的功率P1 20w。關(guān)節(jié)俯仰運動設(shè)計：設(shè)計關(guān)節(jié)2s內(nèi)抬頭90°可以得出關(guān)節(jié)俯仰轉(zhuǎn)速n2 =7.5r/min，根據(jù)機器人的多節(jié)結(jié)構(gòu)，俯仰關(guān)節(jié)的負載不同，相應的扭矩和功率分別為M21 =17Nm、P21 =15w、M 22=68Nm、p 22=55w。關(guān)節(jié)偏航運動設(shè)計：設(shè)計關(guān)節(jié)2s內(nèi)偏航90°可以得出關(guān)節(jié)偏航轉(zhuǎn)速n 3=7.5r/min，假設(shè)地面的摩擦系數(shù)i=0.3，則關(guān)節(jié)偏航的扭矩與功率分別為M =5Nm、p =5w。根據(jù)以上的分析和計算出的運動執(zhí)行端(傳動鏈末端)的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率，經(jīng)查閱相關(guān)的資料，設(shè)計出機器人的運動實現(xiàn)方案如表2-1。選用maxon無刷直流伺服電機，根據(jù)電機和減速器的安裝使用要求設(shè)計出機器人的行走驅(qū)動單元(如圖2-11所示)，關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動單元(如圖2-12和圖2-14所示)，關(guān)節(jié)偏航驅(qū)動單元(如圖2-13所示)。綜上所述：本機器人采用五單元模塊串聯(lián)的多履帶構(gòu)型多關(guān)節(jié)鉸接的蛇形結(jié)構(gòu)提高了其困難障礙的通過能力，包覆在車體四周的履帶都可以接觸障礙推進前行，便于穿越狹窄空間和轉(zhuǎn)彎，通過驅(qū)動關(guān)節(jié)機器人可以翻越高達前兩個單元模塊長的障礙，跨越寬相當于前兩個單元模塊長的深溝，具有很強的地形適應性，能夠完成井下事故后的搜索任務。3.小結(jié)根據(jù)煤礦搜索機器人的應用環(huán)境條件和實際功能要求，設(shè)計出了機器人的本體結(jié)構(gòu)，包括行走模塊、關(guān)節(jié)模塊、單元模塊和運動驅(qū)動設(shè)計，并詳細設(shè)計了機器人的行走工具履帶。經(jīng)過分析，機器人采用本結(jié)構(gòu)可以完成事故后的搜索任務，為建立實用化的系統(tǒng)工程樣機并完成工程試驗驗證提供了合理的本體系統(tǒng)。 14