劉巍巍，王成龍，劉慧芳

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870)

·新技術(shù)新設(shè)備·

一種搜救機(jī)器人的設(shè)計(jì)與越障分析

劉巍巍，王成龍，劉慧芳

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870)

為了解決現(xiàn)有履帶式煤礦井下救援機(jī)器人質(zhì)量偏重、機(jī)動(dòng)性較差的問題，采用輪轂電機(jī)為動(dòng)力，設(shè)計(jì)了一款具備檢測(cè)功能的雙搖臂搜救機(jī)器人。根據(jù)雙搖臂履帶機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，結(jié)合事故后井下地形和障礙物的構(gòu)形特點(diǎn),得出了障礙物的簡(jiǎn)化模型，采用D-H法分析了機(jī)器人的最大越障能力，利用Solidworks軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了建模并在Adams中進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)理論最大障礙物的跨越，驗(yàn)證了在保證搜救機(jī)器人越障能力的前提下，由減輕機(jī)器人重量來提高其機(jī)動(dòng)能力的可能。

機(jī)器人；輪轂電機(jī)； D-H法；越障分析

0 前言

我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，目前由于采煤機(jī)械化程度不夠高，從業(yè)人員整體素質(zhì)偏低等原因，導(dǎo)致我國(guó)煤炭生產(chǎn)百萬t死亡率是南非的30倍、美國(guó)的100倍[1]。目前我國(guó)在煤礦事故發(fā)生后大多是派遣救護(hù)隊(duì)員直接下井偵探井下環(huán)境來為指揮中心制定搜救方案提供信息，這種方式由于缺乏對(duì)災(zāi)后井下環(huán)境的充分了解，往往使救護(hù)人員處于危險(xiǎn)的環(huán)境中，容易引起二次傷害和爆炸。為了能在事故發(fā)生后、救援行動(dòng)開始前為指揮中心提供更全面的井下環(huán)境信息，快速制定科學(xué)合理的營(yíng)救方案，需要研制代替救護(hù)隊(duì)員深入事故后的井下采集環(huán)境信息的搜救機(jī)器人。

國(guó)外美國(guó)桑迪亞實(shí)驗(yàn)室研制的Gemini-Scout搜救機(jī)器人身長(zhǎng)約1 m，可下潛到水中0.45 m處，并搭載了雙向?qū)χv機(jī)、紅外攝像頭、多種氣體傳感器。美國(guó)Remotec公司的Andros Wolverine機(jī)器人，能采集視頻、圖像，探測(cè)危險(xiǎn)氣體，但是它體型龐大，高約1.27m,重量超過0.5t[2]。國(guó)外的救援機(jī)器人雖然技術(shù)較我國(guó)先進(jìn)，但是由于外國(guó)多為露天煤礦和國(guó)內(nèi)外防爆要求的不同，國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備還不能應(yīng)用于我國(guó)。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制了CUMT1——CUMT5一系列的煤礦搜救機(jī)器人，該系列機(jī)器人通過對(duì)行走機(jī)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化，其越障性能得到逐步提升[3]。北京理工大學(xué)研制的BIT型煤礦搜救機(jī)器人，采用了六履帶四擺臂的行走機(jī)構(gòu)[4]。上述機(jī)器人搭載傳感器、攝像機(jī)均能實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)后井下信息的采集，但是存在車體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，車身偏重、機(jī)動(dòng)性較差的問題。

目前同類型的履帶式機(jī)器人整體重量一般都在35kg以上[5]- [6]，重量偏大。為了使投入到煤礦事故搜救中的機(jī)器人減輕自身重量，采用輪轂電機(jī)做驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)了一款探測(cè)搜救機(jī)器人。

1 機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

為了使搜救機(jī)器人能夠到達(dá)事故發(fā)生后的井下各方位實(shí)施搜救探測(cè)，機(jī)器人采用履帶行走；為增強(qiáng)機(jī)器人的越障能力，在機(jī)器人前進(jìn)方向設(shè)置了兩個(gè)搖臂以輔助其越障。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)共有4個(gè)輪轂電機(jī)，前面2個(gè)用于驅(qū)動(dòng)搖臂輔助越障，后面2個(gè)用于驅(qū)動(dòng)履帶實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)和后退。機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.小從動(dòng)輪 2.大從動(dòng)輪 3.搖臂履帶 4.搖臂輪轂電機(jī) 5.行走履帶 6.驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)圖1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The structure diagram of the robot

為了使機(jī)器人能獲得煤礦事故發(fā)生后的井下環(huán)境信息，機(jī)器人搭載了能檢測(cè)瓦斯、CO等有毒氣體的傳感器和用于在井下黑暗無光的環(huán)境中拍攝井下環(huán)境和搜救被困人員的紅外攝像系統(tǒng)；控制器通過無線通信實(shí)現(xiàn)地面操作終端和各功能部件的指令、圖像的傳輸；電池采用鋰離子可充電電池為機(jī)器人提供電源。

1.2 電機(jī)的設(shè)計(jì)

為減輕機(jī)器人的整體重量，機(jī)器人應(yīng)用了4個(gè)輪轂電機(jī)做驅(qū)動(dòng)。

由于煤礦事故發(fā)生后的井內(nèi)往往含有大量的可燃性粉塵、CO等易燃易爆氣體，現(xiàn)有的普通低速外轉(zhuǎn)子式直流無刷輪轂電機(jī)在工作時(shí)因會(huì)產(chǎn)生熱量、火花，容易引起爆炸，不能直接應(yīng)用到井下設(shè)備中使用，根據(jù)國(guó)家防爆標(biāo)GB3836.1-2010的要求對(duì)其進(jìn)行了防爆改造[7]。

輪轂電機(jī)兩側(cè)連接蓋板改為采用材料為Q235A厚度5 mm的圓形隔板，利用防爆螺栓將其與輪轂電機(jī)的圓柱外殼(轉(zhuǎn)子)連接，二者共同構(gòu)成輪轂電機(jī)的防爆殼體實(shí)現(xiàn)電機(jī)與外界環(huán)境的隔離防爆。在空心軸輸出端加裝了防爆銅環(huán)用于消除爆炸時(shí)可能產(chǎn)生的火花，為進(jìn)一步增強(qiáng)防爆能力。另外，為使輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)履帶的驅(qū)動(dòng)，在其圓柱外圓上設(shè)計(jì)有驅(qū)動(dòng)齒。最后對(duì)有連接電機(jī)和控制器、電池連線的空心軸處使用阻燃介質(zhì)進(jìn)行澆封，實(shí)現(xiàn)電機(jī)腔和控制腔的隔離。輪轂電機(jī)改造前后的對(duì)比如圖2所示：

1.連線澆封 2.防爆銅環(huán) 3.驅(qū)動(dòng)齒 4.防爆螺栓 5.防爆蓋板圖2 輪轂電機(jī)改裝前后結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The comparison diagram of the hub motor before and after being refitted

通過采用經(jīng)過改造后的低轉(zhuǎn)速、大扭矩的外轉(zhuǎn)子式直流無刷輪轂電機(jī)做驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)對(duì)負(fù)載履帶的直接驅(qū)動(dòng)，與以往同類型機(jī)器人相比，省去了4個(gè)減速機(jī)構(gòu)及附件，使機(jī)器人整體重量降到30kg左右，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人整體重量的下降。

2 機(jī)器人的越障分析

越障能力是搜救機(jī)器人靈活性的體現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)井下區(qū)域的全面?zhèn)蓽y(cè)，要求機(jī)器人具備高的越障能力。

2.1 障礙物模型簡(jiǎn)化

煤礦事故發(fā)生后，井下會(huì)產(chǎn)生煤塊、碎巖塊等幾何形狀不規(guī)則的障礙物，根據(jù)這些障礙物構(gòu)形特征的相似性同時(shí)也為了更加方便地分析機(jī)器人的越障過程，把搜救機(jī)器人行進(jìn)過程中可能遇到的障礙物進(jìn)行了簡(jiǎn)化，其模型簡(jiǎn)化圖如圖3所示。

圖3 障礙物簡(jiǎn)化模型圖Fig.3 The simple diagrams of the obstacles

2.2 基于D-H法的機(jī)器人越障分析

把機(jī)器人看成剛體來研究，可用D-H法來對(duì)其進(jìn)行越障分析[8]。

設(shè)機(jī)器人前后輪之間的長(zhǎng)度為L(zhǎng),搖臂長(zhǎng)度為l，車身重量為m1,搖臂重量為m2，機(jī)器人輪轂電機(jī)的半徑為R，搖臂小輪半徑為r,機(jī)器人全身質(zhì)心距全身坐標(biāo)系的距離為l2，搖臂質(zhì)心距其坐標(biāo)系距離為l2，障礙物高度為h。以機(jī)器人跨越障礙時(shí)后輪與地面的接觸點(diǎn)為原點(diǎn)建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系X0Y0。如圖4所示。

圖4 機(jī)器人越障位姿Fig.4 The obstacle-crossing pose of the robot

機(jī)器人跨越障礙時(shí)全身相對(duì)于X0Y0的轉(zhuǎn)角為α1，前擺臂相對(duì)于全身的轉(zhuǎn)角為α2，則全身相對(duì)于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系和前擺臂相對(duì)全身坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系為

式中，0為基礎(chǔ)坐標(biāo)系；1為全身坐標(biāo)系；2為前擺臂坐標(biāo)系；c1為cosα1；s1為 sinα1；c2為cosα2；s2為 sinα2；α1為全身轉(zhuǎn)角；α2為前擺臂轉(zhuǎn)角；R為輪轂電機(jī)半徑；r為前擺臂從動(dòng)輪半徑。

全身各部分質(zhì)心位置為

式中，P1為全身質(zhì)心坐標(biāo)；P2為前搖臂質(zhì)心坐標(biāo)。

全身坐標(biāo)

搖臂質(zhì)心位置相對(duì)全身質(zhì)心的坐標(biāo)為

機(jī)器人相對(duì)全身坐標(biāo)系的質(zhì)心坐標(biāo)為

相對(duì)基礎(chǔ)坐標(biāo)系X0Y0質(zhì)心坐標(biāo)為

由此可得質(zhì)心位置坐標(biāo)為

s1m2s2l2/m=

c1(m1l1+m2L)/m+m2l2c1+2/m

c1m2s2l2/m+R

=s1(m1l1+m2L)/m+m2l2s1+2/m+R

式中，s1+2為sin(α1+α2)；c1+2為cos(α1+α2)。

機(jī)器人越過最高障礙時(shí)，其質(zhì)心位置與地面的垂線正好同障礙物前邊緣共線，此時(shí)障礙物高度為

h=H-R/c1=

s1(m1l1+m2L)/m+m2l2s1+2+/m+R-R/cosα1

把搜救機(jī)器人參數(shù)帶入質(zhì)心坐標(biāo)及障礙物高度表達(dá)式為

h=H-R/c1=275sinα1+
11.167sin(α1+α2)+115-115/cosα1

式中，L=550 mm；l=210 mm；l1=220 mm；l2=67 mm；R=115mm；m1=25 kg；m2=5 kg。

通過Matlab計(jì)算求解可得到機(jī)器人理論最大越障高度h=158 mm,此時(shí)機(jī)器人全身擺角α1=48°，搖臂擺角α2=42°。全身轉(zhuǎn)角和搖臂擺角與越障物高度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 全身轉(zhuǎn)角、搖臂擺角與越障高度的關(guān)系圖Fig.5 The relation graph of body,swing arms and the highness of surmounting obstacle

3 仿真驗(yàn)證

為了對(duì)設(shè)計(jì)的搜救機(jī)器人的越障能力進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)機(jī)器人的越障過程進(jìn)行了仿真。

3.1 模型的建立

在Solidworks軟件內(nèi)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了三維建模與裝配。為了便于在Adams中進(jìn)行仿真對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。最后模型包括車體、輪轂電機(jī)(以驅(qū)動(dòng)輪代替)、從動(dòng)輪、搖臂和小前輪。在車體和輪轂電機(jī)、擺臂處添加了旋轉(zhuǎn)副和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)分別實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和搖臂的擺動(dòng)；后輪轂電機(jī)和前從動(dòng)輪之間采用耦合副代替履帶傳動(dòng)；車體與搖臂之間添加了旋轉(zhuǎn)副和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)來代替前輪轂電機(jī)對(duì)搖臂的驅(qū)動(dòng)；在搖臂和小前輪處添加了旋轉(zhuǎn)副和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)來代替前輪轂電機(jī)與小從動(dòng)輪的履帶傳動(dòng)[9，10]。

在Adams中建立了高度為158 mm的臺(tái)階用于模擬機(jī)器人要跨越的障礙。機(jī)器人和障礙物之間添加接觸力來模擬機(jī)器人與障礙物的接觸環(huán)境。機(jī)器人和障礙物在Adams的簡(jiǎn)化模型如圖6所示。

圖6 機(jī)器人與障礙物的簡(jiǎn)化模型Fig.6 The simplified model of the robot and the obstacle

圖7 車身和搖臂各自轉(zhuǎn)角Fig.7 The rotation angle of the body and the ranging arms

3.2 模型仿真

模型驗(yàn)證成功后開始仿真，采用STEP函數(shù)實(shí)現(xiàn)搖臂的擺動(dòng)。仿真時(shí)間為6 s,仿真步數(shù)為51。車身和搖臂各自轉(zhuǎn)角如圖7所示。

通過仿真分析得到車身和搖臂質(zhì)心擺角圖，由上圖可知越障過程中車身擺角為50°；搖臂擺角為85°，由于搖臂相對(duì)水平面有45°的初始角，所以搖臂實(shí)際擺角為40°，與理論值接近，結(jié)果合理，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)論

通過直接對(duì)普通低速外轉(zhuǎn)子式直流輪轂電機(jī)的外轉(zhuǎn)子加裝防爆隔板，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)與井下易燃易爆氣體的隔離，使其可以直接應(yīng)用于井下搜救機(jī)器人中；由于輪轂電機(jī)的使用，省去了中間的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)對(duì)負(fù)載的直接驅(qū)動(dòng)，與同類型機(jī)器人相比整體重量減輕約10%，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的輕量化，通過對(duì)搜救機(jī)器人越障過程理論分析的結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方

案的可行，達(dá)到了減輕機(jī)器人重量和提高機(jī)器人機(jī)動(dòng)性的目的。

[1] 王國(guó)慶，許紅盛，王愷睿. 煤礦機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(2): 73-77.

[2] 劉建.礦用救援機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015:8-9.

[3] 孫國(guó)棟，李雨潭，朱華.一種新型煤礦救援機(jī)器人履帶行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2015,41(6):21-25.

[4] GAO Jun-yao，ZHU Jian-guo，GAO Xue-shan，et al. Electric and Control Technique Research of a Coal Mine Detect Robot[C]// 9th International Conferenceon Electronic Measurement & Instruments.Beijing,China,2009.3-729-3-735.

[5] 李允旺，葛世榮，朱華，等.四履帶雙搖臂機(jī)器人越障機(jī)理及越障能力[J].機(jī)器人，2010，32(2)：157-165.

[6] 趙建偉，張?jiān)讫垼痰掠?，?巡檢機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2015,28(3)：7-9,19.

[7] 毛楊明. 煤礦井下探測(cè)機(jī)器人防爆電機(jī)與動(dòng)力源研究[D]. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015: 43-60.

[8] 張海南.輪退機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與越障分析[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014,17-20.

[9] 鈕冬科.輪履復(fù)合式反恐機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].上海：上海工程技術(shù)大學(xué)，2015:45-61.

[10]胡晗. 煤礦井下探測(cè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與特性分析[D].太原：太原理工大學(xué)，2014:62-63.

Design and analysis on obstacle-crossing of a rescue robot

LIU Wei-wei，WANG Cheng-long，LIU Hui-fang

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870,China)

This article focused on solving the problem of large mass and less mobility in the existing tracked coal mine rescue robot. A robot, which had two swing arms and the ability of detecting several kinds of gas under the coal mine, had been designed with hub motors. Based on the structure of the robot and the feature of the terrain and the obstacles after the accident, the simplified model of the obstacles was got. The biggest obstacle-crossing ability of the robot was analyied in D-H method, the three-dimensional model of the robot was established with solidworks software and carried out simulation with Adams, the simulation results of the obstacle crossing showed that the robot could cross the highest obstacles which was theoretical. It was verified that the mobility of the rescue robot could be improved by reducing weight under the premise of guaranteeing the obstacle-crossing ability of the rescue robot.

robot; hub motor; D-H method; obstacle-crossing analysis

2016-07-16；

2016-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305277)

劉巍巍(1973-)，女，遼寧桓仁縣人，沈陽工業(yè)大學(xué)副教授，碩士，主要從事知識(shí)管理，產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)等領(lǐng)域研究。

王成龍(1988-)，男，沈陽工業(yè)大學(xué)碩士研究生。

TP242.3

A

1001-196X(2016)06-0008-05