多节履带式煤矿井下搜索机器人设计说明Word下载.docx
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2.3煤矿搜索机器人行走履带设计·
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2.3.1履带接地应力和地面承载能力·
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2.3.2地面最大推力·
7
2.3.3地面最大推力牵引力的影响因素·
8
2.4煤矿搜索机器人关节模块设计·
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2.5煤矿搜索机器人单元模块设计·
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2.6煤矿搜索机器人运动驱动设计·
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3.小结·
13
1.机器人设计目的
近年来，随着原油价格不断攀高，国际能源紧局面再次显现。
我国有着储量丰富的煤炭资源，是目前经济发展和社会运行的主要能源之一，全球能源紧局势的加剧和经济高速发展的迫切需要，对煤炭的需求量快速增长，促使许多煤矿超量超载运营。
由于对安全保障设施投入的不足或各种非法的开采，导致矿难事故不断发生，对人民的生命安全构成了严重的威胁，给社会财产造成了严重的损失。
据统计：
2005年全国煤矿共发生死亡事故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。
从2004年四季度到2005年发生的百人以上的矿难事故就有6起。
2006年1至4月份，全国煤矿发生安全事故死亡1154人，发生一次死亡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人以上特别重大事故1起，2006年全国煤矿共发生事故294起、死亡4746人。
全国煤矿平均2.5天就发生一起一次死亡3人以上的重特大事故。
矿难事故主要包括瓦斯事故、粉尘爆炸事故、顶板事故、水害事故、运输事故等，其中以瓦斯事故最为严重，死亡人数所占比例最大。
2005年全国煤矿发生瓦斯事故405起，死亡2157人，瓦斯事故死亡人数占全国煤矿事故总死亡人数的36.0%。
煤矿井下发生瓦斯、煤尘等爆炸事故后，井下环境异常凶险，抢险人员一般难以在第一时间进入，往往在井上等待很长时间，直到井下情况有所好转才能下井，耽误了宝贵的救援时间。
事故专家和决策者也由于缺少信息无法及时做出判断和决策，许多矿工因救援不及时而丧生。
基于此，本文提出一种多节履带式搜索机器人携带各类传感器等检测设备，先于抢险人员进入井下，发挥自身越障功能到达矿井深处，探测井下爆炸事故破坏和环境、人员情况，并通过分散在巷道的小型通讯节点利用无线通讯手段将信息以声、像和数据的形式实时反馈到控制中心，辅助指挥人员进行紧急决策或实施快速、有效的救助。
该项目研究对提高煤矿事故应急抢险能力、减少人员伤亡、决策建议具有重要的意义，同时也促进了机器人技术的研究、应用和推广。
为煤矿事故处理过程中更安全、更快速地搜索被困人员、侦察和监督危险地域情况提供一种替代人工作业的高效煤矿井下搜索探测机器人，为减少人员伤亡、确保安全生产提供有力支持，为煤矿生产现代化、提升煤矿安全生产水平起到积极的推进作用。
本文研究的机器人除用于煤矿矿井安全生产探测以及用于抢险目的外，还可用于地铁硫矿、铜矿爆炸等生产矿山和其它事故灾害现场，广阔的推广领域极提高了其社会效益和经济效益。
单元模块
对于完成搜救任务的机器人可以分为如下五个系统：
机械系统、控制系统、
通信系统、传感系统和能源供给系统。
功能实现
在此基础上发展适当的智能控制，进入到半自主和遥控相结合的阶段，机器人能够辨别障碍，构建电子地图，并进行自主避障、路径规划、路径跟踪、任务规划等。
并进一步提高机器人的搜索能力，包括特征识别、环境识别，具体为辨认幸存者和环境结构。
未来将提高机器人的视觉、机械和远程医疗的能力，机器人将能够救助已经没有意识的幸存者，能够在非结构环境中开辟通道，可以对幸存者进行医疗救助。
2.机器人结构设计
2.1煤矿事故现场环境分析
煤矿事故发生后，井下呈现出非常复杂的非结构化环境，尤其发生爆炸后，各种碎片散落堆积、并可能伴有积水、淤泥等，对煤矿搜索机器人来讲，环境异常恶劣，图2-1显示了矿井下的一些情况。
通过分析，煤矿发生事故后的地形可以总结为：
（1）入口狭小；
（2）有限的空间；
（3）地面有积水；
（4）爆炸腐蚀气体；
（5）到处充满碎片不稳定结构；
（6）缺少照明；
（7）通讯困难，GPS不能用。
2.2煤矿搜索机器人总体结构设计
通过对煤矿搜索机器人使用环境分析，我们可以得出井下搜索探测主要面对四种障碍（如图2-2所示）：
（1）普通的粗糙地面；
（2）相对机器人车体较高的障碍；
（3）上下甚至左右都有障碍只有一个狭小的开放空间；
（4）相对机器人车体较长的裂缝。
机器人在煤矿井下深处所经历的复杂地形，对其越障能力提出了更加严格的要求。
首先，搜索机器人必须具有很强的地形附着能力，履带式机器人可以满足这个要求，比轮式机器人更适合井下环境。
其次，搜索机器人必须能进入狭窄空间和跨越较大裂缝（相对自身大小）。
单体履带移动机器人具有较大的体积（横截面），因而不能进入狭窄空间和跨越较大裂缝，而蛇形细长结构移动机器人可以满足这一点。
另外，为了增加煤矿井下的无线通讯能力，机器人还必须能携带通讯节点。
根据以上的应用环境条件和实际功能分析，本文研究的机器人采用五单元模块串联的多履带构型多关节铰接的蛇形结构[34-39]，如图2-3所示。
搜索机器人包括头部单元模块、控制单元模块、电源单元模块、气瓶（防爆）单元模块和节点单元模块，每个单元模块具有不同的功能，且装有自己独立的电机、减速器、驱动器等。
单元模块由关节串联。
另外，单元模块部腔体通过软管相连，用于布线和通气。
2.3煤矿搜索机器人行走履带设计（志伟）
搜索机器人的每个单元模块采用上下左右四周包覆履带结构，如图2-4所示。
每个单元模块的所有履带由一个电机驱动，如图2-11所示。
这种行走结构可以提高机器人的运动能力，防卡死，所有履带采用单电机同时驱动，可以减小机器人本体的质量和尺寸，同时也可以简化控制系统的设计。
当机器人进入狭小空间，上下履带可以分别与空间的上部和地面接触，使得机器人获得更大的前进动力；
并且上下履带在前进过程中会将上方落下的障碍物和地面上的障碍物卷向后方，以“挖掘”的方式前进，可防止机器人被障碍物卡死。
当机器人在井下复杂弯曲巷道中前进时，侧履带与巷道侧面的接触有利于助推和转向。
当机器人车体发生大的倾斜，下履带不能很好地附着地面时，侧履带与巷道底面的接触和相对运动可以起到助推的作用；
当有比较大的转弯时，侧履带与巷道侧面的接触不但避免了车体卡死，还能以较大的驱动力辅助转弯。
对于履带式移动机器人，履带与地面的相互作用直接影响其运动性能。
机器人与地面属性是紧密联系的，它们之间有整体不可分离性，所以需要全面考虑履带-地面作用对机器人结构的影响。
2.3.1履带接地应力和地面承载能力
履带可以看作搜索机器开，机器人在上面通过，然后力较低的地面，且牵引力较大。
履带可分为刚性履带和柔性履带两种：
刚性履带能够阻止履带向屈曲，保证非常均匀的接地压力，限于低速车辆；
柔性履带分为连续履带和间隔履带。
本机器人的履带可以归类为柔性连续板销型结构。
本机器人的履带负重不大，但负重轮位置压力与负重轮间压力有差值，所以采用履带下的平均最大压力pmm（定义为所有负重轮下最大压力的平均值）作为评价机器人软地性能的指标。
pmm按式2-1估算。
pmm=
（2-1）
其中：
W：
机器人质量（kg）；
n：
一条履带上的负重轮数；
b：
履带宽度（cm）；
d：
负重轮外径（cm）；
p：
履带节距（cm）。
通过该公式计算本机器人的pmm≈75kPa。
对于履带车辆，当pmm值低于166.6kPa时，在软地上有很好的机动性，当超过294kPa时，在软地上的机动性会受到很大限制。
对于泥炭沼泽地区，要求pmm不超过49kPa，可见该地区本机器人难以通过。
使土体失去整体稳定的载荷Wc称为极限载荷，即地面的极限承载能力。
取两种典型情况地面的计算结果，即摩擦性土壤和聚性土壤。
式（2-2）和（2-3）说明：
在摩擦性土壤中，履带下土壤的承受能力与履带宽度的平方成正比，为提高承载能力，应该缩短履带接地长度增加履带宽度；
对于聚性地面，临界载荷仅取决于履带接地面积。
2.3.2地面最大推力
履带车辆所能产生的最大牵引力主要与地面所能产生的最大推力有关由土壤的抗剪强度所决定的推力称为土壤的最大推力，用FHmax表示。
根据库仑方程并考虑履刺产生的附加牵引力，土壤的最大推力为：
取两种典型地面进行分析，即摩擦性土壤和聚性土壤：
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，但在聚性地面中履刺的作用就很显著，若
=0.2，牵引力就可以提高40%。
煤矿井下地面土质情况由于可能有水分的存在，会兼有粘性和摩擦性，所以在履带上设计履刺对提高机器人的行进能力会有帮助。
2.3.3地面最大推力牵引力的影响因素
滑转率i=0时即地面为纯刚性情况，不发生剪切变形；
滑转率i=100%时为履带完全打滑状态。
由于在实际情况中履带接地的法向压力分布很少是均匀的，不同的分布情况对牵引力有不同的影响。
主要考虑五种典型分布：
（1）法向应力从前向后呈线性增加；
（2）法向应力从前向后呈正弦分布；
（3）法向应力从前向后均匀分布；
（4）法向应力从前向后呈弧形；
（5）法向应力从前向后呈线性减小。
由上式可以得到各种不同分布压力情况下的牵引力-滑转率关系，在摩擦性地面中，滑转率一定时，分布1牵引力最大，5最小。
所以在机器人结构设计时，对每一单节的质量安排尽量呈从前向后线性增加的分布。
由于机器人质量比较小，只有50kg左右，每节采用两条宽履带，对地压强比较小，又整体结构为串联，行驶过程中纵倾和下陷量都很小，所以履带-地面相互作用效应很小，可以用前面的公式近似计算分析。
数学建模时可以近似认为履带下的法向压力σn是均匀的，得到：
可以看出，具有相同接地面积的履带在相同地面上行驶，要发挥相同的牵引力，短而宽的履带要比长而窄的履带滑转率大，也就是说长而窄的履带比短而宽的履带具有较小的障碍阻力和运动阻力。
这与前面提到的提高履带承载能力是一对矛盾。
2.4煤矿搜索机器人关节模块设计
机器人的五个单元模块由关节（外形尺寸约104x60x60mm）（如图2-5所示）串联起来，实现偏航和抬头运动。
通过对其应用环境和搜索的功能要求分析，可以得出运动时各关节的动作关系：
偏航自由度和俯仰自由度都可以实现主动和被动的切换。
当关节主动控制时，可以实现对任意单元模块的偏航和俯仰；
当关节被动时，机器人可以根据不规则地形被动的调整自身姿态，使履带有效覆盖地面，灵活适应地形，尤其适用于井下交错地形；
由于受到整体尺寸的限制，本机器人不含侧倾自由度，但偏航和俯仰自由度的组合，可以在一定程度上弥补其缺陷。
关节将行走单元模块串联成细长结构，可以实现直线运动、转弯运动和翻越障碍。
关节主动时，机器人可以“抬头”，从而翻越高达两个单元模块长度的障碍，穿越上下甚至左右都有障碍的狭小空间，跨越相对机器人单元模块较长的裂缝，进入目标区域执行搜索任务。
2.5煤矿搜索机器人单元模块设计（吉红）
本课题所研究的机器人采用五个单元模块串联的蛇形结构，各个单元模块具有不同的功能要求，但是具有相同的行走运动单元，只是由于单元模块的长度不同，四周包覆履带的长度不同而已。
头部单元模块（外形尺寸约240x200x180mm）（如图2-6所示）是机器人的感知系统，安装有摄像头和甲烷传感器等所需的检测设备，同时由于井下光线的限制，还配有照明设备，相当于机器人的“眼睛”，“鼻子”，“嘴巴”和“耳朵”等，可以探测井下机器人周围的环境信息，包括图像，气体，风速，湿度，温度等等，同时还可以搜索事故后的生命信息，并进行简单的交流。
这样，控制中心就可以根据采集的井下数据信息进行分析，判断井下的环境是否适于救援，为事故后及时有效的搜救提供有力的依据。
控制单元模块（外形尺寸约320x200x180mm）（如图2-7所示）是机器人的信息处理系统，相当于机器人的“大脑”，主要完成运动控制、传感器信息的处理和与控制中心进行通讯等功能，部装有基于ARM的主控制器、各电机控制器、多种传感器、无线射频收发器等。
机器人以局部自主的形式在井下完成搜索任务，能在一定程度上自动的实现简单的避障和自身位姿的调整。
电源单元模块（外形尺寸约340x200x180mm）（如图2-8所示）携带较大的锂聚合物电池，为各单元模块供电，是机器人工作的动力来源。
由于质量比较大，考虑到机器人的机动性和越障灵活性，将其置于中间，同时为了避免安装空间的限制，也可以为每个单元模块配备相对较小的电池，以减轻电源单元模块的负担。
受到机器人总体尺寸的限制，不能采用有缆的方式供电。
电池24V供电，形状和体积将受到单元模块设计空间的限制和影响。
气瓶（防爆）单元模块（外形尺寸约320x200x180mm）（如图2-9所示）携带高压气瓶，为机器人部腔体提供惰性气体，利用正压防爆。
如果机器人按照隔爆的标准设计，壳体会很厚，导致机器人的总体质量远远超过设计的技术指标，而且电气系统做到本安设计是非常困难的，利用正压防爆适于本机器人的设计。
气瓶的形状和体积同样受单元模块安装空间的限制，压力和容量要适应于机器人壳体的密封状况和机器人的工作时间要求。
节点单元模块（外形尺寸约310x200x180mm）（如图2-10所示）位于机器人的尾部，带有搭载舱，装有多个移动通讯节点，具有可开闭舱门，在行驶的过程中，根据通讯信号的衰减程度，每隔一定的距离，以“吐”的方式释放通讯节点，作为在井下通讯强障碍的环境中的通讯中继。
本模块具有释放节点的机构，且舱必须能够存储足够数量的通讯节点。
节点必须按照本安的标准设计，在工作和遗弃时均不能引起井下可燃气体的爆炸，由于节点的加工成本要比实现节点回收技术的代价低很多，所以目前，节点不回收。
2.6煤矿搜索机器人运动驱动设计
本课题所研究机器人的运动包括行走和关节驱动，关节包括俯仰和偏航两个自由度。
机器人的主要设计指标是：
质量m<
45kg，翻越30度斜坡和台阶，最高速度vmax=0.25m/s，机器人的总体尺寸约1700x200x180mm，叠合约750x200x400mm。
机器人行走运动设计：
履带轮的有效半径r0=15mm，由vmax=0.25m/s可以得出履带的转速n1≈160r/min，由翻越30度斜坡可以得出履带的扭矩M1≈1.1397Nm取2Nm，进而可知行走电机的功率P1≈20w。
关节俯仰运动设计：
设计关节2s抬头90°
可以得出关节俯仰转速n2=7.5r/min，根据机器人的多节结构，俯仰关节的负载不同，相应的扭矩和功率分别为M21=17Nm、P21=15w、M22=68Nm、p22=55w。
关节偏航运动设计：
设计关节2s偏航90°
可以得出关节偏航转速n3=7.5r/min，假设地面的摩擦系数i=0.3，则关节偏航的扭矩与功率分别为M=5Nm、p=5w。
根据以上的分析和计算出的运动执行端（传动链末端）的扭矩、转速和功率，经查阅相关的资料，设计出机器人的运动实现方案如表2-1。
选用maxon无刷直流伺服电机，根据电机和减速器的安装使用要求设计出机器人的行走驱动单元（如图2-11所示），关节俯仰驱动单元（如图2-12和图2-14所示），关节偏航驱动单元（如图2-13所示）。
综上所述：
本机器人采用五单元模块串联的多履带构型多关节铰接的蛇形结构提高了其困难障碍的通过能力，包覆在车体四周的履带都可以接触障碍推进前行，便于穿越狭窄空间和转弯，通过驱动关节机器人可以翻越高达前两个单元模块长的障碍，跨越宽相当于前两个单元模块长的深沟，具有很强的地形适应性，能够完成井下事故后的搜索任务。
3.小结
根据煤矿搜索机器人的应用环境条件和实际功能要求，设计出了机器人的本体结构，包括行走模块、关节模块、单元模块和运动驱动设计，并详细设计了机器人的行走工具—履带。
经过分析，机器人采用本结构可以完成事故后的搜索任务，为建立实用化的系统工程样机并完成工程试验验证提供了合理的本体系统。
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