王成軍，王智慧

(1.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)人工智能學(xué)院，安徽淮南 232001)

0 前言

井下巡檢機(jī)器人可實(shí)時(shí)勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并對(duì)預(yù)警內(nèi)容進(jìn)行快速有效的傳遞，與傳統(tǒng)人工巡檢相比，其巡檢效率大幅度提升。推進(jìn)井下巡檢崗位機(jī)器人替代，踐行“無(wú)人則安”的安全生產(chǎn)新理念，是實(shí)現(xiàn)煤礦智能化、無(wú)人化的重要表現(xiàn)。

特殊且復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，要求巡檢機(jī)器人具備高效穩(wěn)定的行走能力。目前，巡檢機(jī)器人的移動(dòng)方式有輪式、履帶式、腿式以及輪履式等組合形式。其中，輪式機(jī)器人能在平坦路面高速穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)，但當(dāng)?shù)孛婵油莶黄交蛘呔哂信榔碌刃枨髸r(shí)，輪式結(jié)構(gòu)適應(yīng)能力明顯降低。如中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司研制的礦井輪式物料運(yùn)輸機(jī)器人，采用四輪驅(qū)動(dòng)，在井下行駛速度不低于20 km/h，但是越障效果不理想。履帶式移動(dòng)底盤(pán)種類繁多，如中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的六履帶四擺臂機(jī)器人，越障效果良好，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運(yùn)行速度較低，能耗較大。腿式移動(dòng)結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)復(fù)雜地形，越障效果良好，但是其控制難度較大，且在越障過(guò)程中容易發(fā)生重心不穩(wěn)導(dǎo)致側(cè)翻等現(xiàn)象。如ATHLETE機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)要求較高，且控制較為復(fù)雜。

針對(duì)上述情況，提出一種基于浮動(dòng)式懸架的雙擺臂輪履復(fù)合式移動(dòng)底盤(pán)設(shè)計(jì)方法。巡檢機(jī)器人通過(guò)調(diào)節(jié)浮動(dòng)式懸架來(lái)適應(yīng)煤礦井下非結(jié)構(gòu)化、不確定和復(fù)雜未知的環(huán)境，并通過(guò)輪履配合型作業(yè)達(dá)到在井下越障及平穩(wěn)快速運(yùn)行的效果，從而使機(jī)器人上端所載信息采集設(shè)備能夠準(zhǔn)確捕捉井下未知環(huán)境。

1 巡檢機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要由輪組、擺臂、動(dòng)力輸出裝置、擺臂驅(qū)動(dòng)裝置、浮動(dòng)式懸架與車架組成，如圖1所示。動(dòng)力輸出裝置分為兩部分：前動(dòng)力輸出裝置由電機(jī)、減速器和同步帶等組成，電機(jī)輸出動(dòng)力通過(guò)同步帶傳輸?shù)角拜喤c擺臂的主動(dòng)輪；后動(dòng)力輸出裝置包括電機(jī)、減速器和后輪傳動(dòng)輸入軸。

圖1 巡檢機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)總體結(jié)構(gòu)

擺臂裝置由履帶、行走架、滑動(dòng)導(dǎo)軌、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪與張緊裝置組成，如圖2所示。行走架通過(guò)傳動(dòng)軸與電機(jī)、減速器相連，實(shí)現(xiàn)擺臂抬起和下降；擺臂輪轂與前輪輪轂通過(guò)螺栓相連，實(shí)現(xiàn)擺臂的主動(dòng)輪與前輪同步運(yùn)動(dòng)。行走架與滑動(dòng)導(dǎo)軌相連，實(shí)現(xiàn)履帶主、從動(dòng)輪的動(dòng)力傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擺臂沿路面行走，如圖3所示。移動(dòng)底盤(pán)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 移動(dòng)底盤(pán)的主要技術(shù)參數(shù)

圖2 擺臂組件

圖3 輪履動(dòng)力輸出裝置

巡檢機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)工作原理：當(dāng)巡檢機(jī)器人在結(jié)構(gòu)化平整路面上移動(dòng)時(shí)，左右擺臂在擺臂驅(qū)動(dòng)裝置作用下抬起，此時(shí)以輪式運(yùn)動(dòng)為主，達(dá)到快速行走的目的；當(dāng)井下環(huán)境比較坑洼不平或者跨溝時(shí)，擺臂在擺臂驅(qū)動(dòng)裝置的作用下，下降到與地面接觸，在動(dòng)力輸出裝置作用下沿地面行走，此時(shí)運(yùn)動(dòng)形式是輪履結(jié)合運(yùn)動(dòng)；通過(guò)增大履帶與地面的接觸面積，增強(qiáng)機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)對(duì)路面的適應(yīng)性；當(dāng)遇到階梯式障礙時(shí)，擺臂抬起合適角度與障礙物接觸，前、中、后輪依次進(jìn)行越障。中間兩輪的設(shè)計(jì)可以有效避免因前后輪距較大、障礙物卡在底盤(pán)中間造成巡檢機(jī)器人停滯不前或底盤(pán)受損等現(xiàn)象。

1.2 浮動(dòng)式底盤(pán)設(shè)計(jì)

為提高巡檢機(jī)器人地面適應(yīng)性，設(shè)計(jì)一種浮動(dòng)式懸架，由安裝支座、V形杠桿、板簧、連桿、Y形杠桿組成。浮動(dòng)式懸架呈對(duì)稱形式，通過(guò)安裝支座固定在車架上，3塊板簧通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)與V形杠桿與Y形杠桿連接，如圖4所示。整個(gè)浮動(dòng)式懸架具有2個(gè)自由度，通過(guò)V形杠桿與Y形杠桿實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的上下浮動(dòng)，連桿機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)。在豎直方向上的提升距離可達(dá)55 mm，以保證車輪根據(jù)地形進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖4 浮動(dòng)式底盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 井下巡檢機(jī)器人越障機(jī)制

機(jī)器人越障是指機(jī)器人主體在行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，質(zhì)心越過(guò)障礙關(guān)鍵邊界線，并在慣性作用下繼續(xù)前進(jìn)完成翻越，在此過(guò)程中不發(fā)生傾翻與卡阻等現(xiàn)象，能繼續(xù)保持機(jī)器人的穩(wěn)定姿態(tài)與移動(dòng)能力。

2.1 階梯式越障原理

正常情況下，擺臂抬起與地面存在一定傾斜角度。當(dāng)機(jī)器人遇到障礙且障礙物高度高于車輪半徑時(shí)，擺臂在履帶電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，擺臂靠近臺(tái)階使其履帶前端?？吭谂_(tái)階的外交線上，如圖5(a)所示；動(dòng)力輸出裝置與擺臂驅(qū)動(dòng)裝置輸出動(dòng)力使擺臂主動(dòng)輪和前輪?？吭谂_(tái)階上，如圖5(b)所示；由于相鄰兩對(duì)輪組之間距離小，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，擺臂順時(shí)針向下轉(zhuǎn)動(dòng)使其重心降低，中間輪子迅速停靠在障礙物的外角線上，當(dāng)巡檢機(jī)器人質(zhì)心越過(guò)臺(tái)階的外角線時(shí)，表示越障成功，如圖5(c)所示；當(dāng)后輪爬上障礙物時(shí)，表示越障結(jié)束，如圖5(d)所示。巡檢機(jī)器人越障過(guò)程如圖5所示。

圖5 巡檢機(jī)器人越障過(guò)程

2.2 底盤(pán)越障質(zhì)心位置分布

以巡檢機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)后輪軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，前后兩輪軸心的距離為，主體部分質(zhì)量為，質(zhì)心的坐標(biāo)為(,)，在攀越障礙時(shí)需要2個(gè)擺臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，單擺臂的質(zhì)量為，質(zhì)心在的連線上，為的距離，擺臂的夾角為，主體部分的車輪半徑為，擺臂的主動(dòng)輪半徑為，從動(dòng)輪半徑為，履帶厚為，如圖6所示。底盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 底盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)圖6求得機(jī)器人質(zhì)心的坐標(biāo)為

圖6 巡檢機(jī)器人質(zhì)心位置示意

(1)

將公式(1)化簡(jiǎn)為

(2)

2.3 越障高度分析

在翻越階梯式障礙時(shí)，通過(guò)輪履配合發(fā)揮巡檢機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)的越障能力。當(dāng)?shù)妆P(pán)的質(zhì)心線正好通過(guò)臺(tái)階的外角線時(shí)，底盤(pán)達(dá)到能夠越過(guò)障礙的極限狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 巡檢機(jī)器人越障極限狀態(tài)

根據(jù)圖7中的幾何關(guān)系，可計(jì)算出底盤(pán)越障高度為

(3)

將式(2)的質(zhì)心坐標(biāo)代入公式(3)得：

(4)

式中：表示臺(tái)階的高度；表示機(jī)器人仰角;表示擺臂擺角。

對(duì)、分別求偏導(dǎo)得：

(5)

求二次偏導(dǎo)得：

(6)

圖8 越障高度與仰角、擺角之間的三維關(guān)系

2.4 跨溝原理

溝槽是井下常見(jiàn)的地形之一，機(jī)器人能跨越最大的溝槽寬度與機(jī)器人底盤(pán)的質(zhì)心位置、擺臂長(zhǎng)度及車輪半徑等有關(guān)。機(jī)器人越溝過(guò)程如圖9所示。當(dāng)巡檢機(jī)器人跨越溝槽時(shí)，擺臂處于平放狀態(tài)，如圖9(a)(b)所示。當(dāng)巡檢機(jī)器人質(zhì)心恰好通過(guò)溝槽的近側(cè)邊緣線時(shí)，機(jī)器人開(kāi)始發(fā)生傾翻，而機(jī)器人前輪恰好與溝道的另一邊相切，此時(shí)跨溝寬度為機(jī)器人能達(dá)到的最大跨溝寬度，如圖9(c)所示。當(dāng)中輪越過(guò)溝槽的遠(yuǎn)側(cè)邊界線時(shí)，表示跨溝結(jié)束，如圖9(d)所示。

當(dāng)機(jī)器人處于圖9(c)狀態(tài)時(shí)，機(jī)器人越溝達(dá)到最大寬度，此時(shí)寬度為

圖9 巡檢機(jī)器人跨溝過(guò)程

將表2的數(shù)據(jù)代入公式，得到巡檢機(jī)器人最大跨溝寬度為657.61 mm。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

在不影響仿真精度且提高仿真效率的前提下，對(duì)巡檢機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。將機(jī)器人三維模型導(dǎo)入ADAMS/View的仿真環(huán)境中，設(shè)置各個(gè)部件的材料屬性并添加運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)。添加輪胎與地面接觸力，設(shè)置庫(kù)侖摩擦力，靜摩擦因數(shù)為0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.1，對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行階梯式路面、溝槽路面和坑洼路面運(yùn)動(dòng)仿真。

3.1 階梯式越障分析

在Design Exploration中，建立傳感器sensor1，添加擺臂與臺(tái)階的接觸力。當(dāng)傳感器檢測(cè)到擺臂與臺(tái)階垂直面接觸力大于0時(shí)，擺臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)合適角度，前輪驅(qū)動(dòng)力變大使前輪越過(guò)障礙。在Simulation中創(chuàng)建新的腳本，設(shè)置腳本類型為ADAMS Solver命令。

巡檢機(jī)器人階梯式路面運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程，如圖10所示。井下路面越障包含3個(gè)高度，初始路面建立在坐標(biāo)系原點(diǎn)上，機(jī)器人質(zhì)心距離初始地面相對(duì)高度為332 mm，第一臺(tái)階障礙高度為160 mm，第二臺(tái)階障礙高度為180 mm，第三臺(tái)階障礙高度為190 mm。

圖10 巡檢機(jī)器人階梯式路面運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程

利用ADAMS/View后處理模塊可得到巡檢機(jī)器人在井下路面運(yùn)動(dòng)的質(zhì)心位置曲線、質(zhì)心加速度曲線和速度曲線，分別如圖11—圖13所示。

圖11 機(jī)器人質(zhì)心高度曲線 圖12 機(jī)器人質(zhì)心加速度曲線

圖13 機(jī)器人質(zhì)心速度曲線

巡檢機(jī)器人在路面行駛的平穩(wěn)性可根據(jù)其質(zhì)心的高度變化曲線來(lái)判斷。由圖11可知：當(dāng)巡檢機(jī)器人質(zhì)心高度到達(dá)492 mm時(shí)，表明機(jī)器人成功越過(guò)高度為160 mm的臺(tái)階；在為6.7～7.8 s內(nèi)，機(jī)器人越過(guò)第2個(gè)障礙，此時(shí)質(zhì)心高度達(dá)到672 mm；在為10～11.2 s內(nèi)，機(jī)器人越過(guò)最后1個(gè)障礙，質(zhì)心高度達(dá)到862 mm。3次越障過(guò)程中，巡檢機(jī)器人質(zhì)心位置呈臺(tái)階式上升，小范圍內(nèi)出現(xiàn)上下波動(dòng)，總體曲線比較平穩(wěn)。

由圖11—圖13可知：在第2.8、6.7、10 s附近，質(zhì)心加速度出現(xiàn)了突變，速度明顯減小，機(jī)器人的質(zhì)心位置明顯上升，表明機(jī)器人前輪觸碰臺(tái)階開(kāi)始越障；在第10 s附近，加速度絕對(duì)值突變達(dá)到了最大，推測(cè)機(jī)器人越障臺(tái)階高度達(dá)到了190 mm，巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力矩變大。如圖12所示，在機(jī)器人非越障情況下，質(zhì)心加速度大小基本在0附近浮動(dòng)，且浮動(dòng)范圍不大。此外，由圖13可知，質(zhì)心速度相對(duì)較為平穩(wěn)，基本在470 mm/s附近波動(dòng)。表明：當(dāng)機(jī)器人質(zhì)心高度發(fā)生改變時(shí)，浮動(dòng)式底盤(pán)的設(shè)計(jì)能夠有效起到緩沖作用。充分驗(yàn)證浮動(dòng)式底盤(pán)設(shè)計(jì)的合理性，機(jī)器人具有平穩(wěn)運(yùn)行及越障的能力。

3.2 越障高度驗(yàn)證

圖14所示為巡檢機(jī)器人翻越高度為190 mm臺(tái)階的仿真越障過(guò)程，可知該器人具有成功翻越障礙能力。

圖14 巡檢機(jī)器人越障仿真過(guò)程

為驗(yàn)證巡檢機(jī)器人最大越障高度，改變第三臺(tái)階高度，設(shè)置第三臺(tái)階高度為200 mm時(shí)，機(jī)器人前輪能夠到達(dá)第三臺(tái)階，但機(jī)器人中輪始終未能踏上第三臺(tái)階，表明此臺(tái)階高度設(shè)定對(duì)機(jī)器人越障有一定難度。第三臺(tái)階高度分別為190、200 mm時(shí)，質(zhì)心高度變化如圖15所示。

圖15 不同高度下的質(zhì)心軌跡

多次改變臺(tái)階的高度進(jìn)行驗(yàn)證，巡檢機(jī)器人最大越障高度為194 mm，與理論計(jì)算存在一定誤差。這是因?yàn)檩喬ズ吐膸П旧泶嬖趶椥蕴匦?，在質(zhì)心高度理論計(jì)算時(shí)，未考慮到該彈性特性在越障過(guò)程中引起的質(zhì)心降低及驅(qū)動(dòng)輪在攀爬過(guò)程中與路面的相對(duì)滑動(dòng)等因素。

3.3 跨溝仿真分析

以路面為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，設(shè)置路面上有溝槽，溝槽寬度分別為630、650 mm，巡檢機(jī)器人越溝過(guò)程如圖16所示。設(shè)置仿真時(shí)間為12 s，機(jī)器人質(zhì)心高度變化曲線如圖17所示。

圖16 巡檢機(jī)器人跨溝仿真過(guò)程

圖17 機(jī)器人質(zhì)心高度變化曲線(跨溝仿真)

由圖17可知:在為2.8～3.5 s與為9.5～10.2 s時(shí)，機(jī)器人質(zhì)心高度曲線上下波動(dòng)，機(jī)器人處于跨溝過(guò)程；在為2.8 s時(shí)，機(jī)器人質(zhì)心高度下降，推測(cè)機(jī)器人前輪處于溝槽中；在為3.0～3.2 s時(shí)，質(zhì)心高度上升，推測(cè)機(jī)器人前輪與壕溝的另一側(cè)相切，此時(shí)擺臂抬起，使質(zhì)心高度上升；在為3.7 s時(shí)，機(jī)器人完成跨越寬度為630 mm的溝槽過(guò)程；為9.5～10.2 s為機(jī)器人跨越寬度為650 mm的壕溝過(guò)程，巡檢機(jī)器人質(zhì)心高度相比于跨越630 mm壕溝的質(zhì)心高度上下波動(dòng)劇烈，推測(cè)機(jī)器人跨溝寬度接近極限值。多次改變溝槽寬度進(jìn)行仿真，得到機(jī)器人跨越最大溝槽寬度為653 mm，與理論值誤差較小。

3.4 坑洼路面對(duì)浮動(dòng)式巡檢機(jī)器人平穩(wěn)性的影響

將浮動(dòng)式懸架的V形桿、Y形桿及連桿機(jī)構(gòu)去掉，中間增加2個(gè)安裝支座，使板簧兩端與安裝支座相連，即為巡檢機(jī)器人無(wú)浮動(dòng)式懸架的移動(dòng)底盤(pán)。將浮動(dòng)式移動(dòng)底盤(pán)和無(wú)浮動(dòng)式移動(dòng)底盤(pán)2種結(jié)構(gòu)的巡檢機(jī)器人在相同的坑洼路面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，如圖18所示。設(shè)置仿真時(shí)間為12 s，巡檢機(jī)器人質(zhì)心高度變化曲線如圖19所示。

圖18 巡檢機(jī)器人坑洼路面運(yùn)動(dòng)仿真

圖19 不同底盤(pán)結(jié)構(gòu)巡檢機(jī)器人質(zhì)心高度

由圖19可知:浮動(dòng)式巡檢機(jī)器人在坑洼路面上行走的質(zhì)心高度曲線近似一條平滑直線，上下波動(dòng)較小，而無(wú)浮動(dòng)式懸架的巡檢機(jī)器人在坑洼路面上的質(zhì)心高度一直頻繁上下波動(dòng)，表明機(jī)器人浮動(dòng)式移動(dòng)底盤(pán)在坑洼路面行走比較平穩(wěn)。浮動(dòng)式巡檢機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)通過(guò)V形桿和Y形桿調(diào)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)底盤(pán)的上下浮動(dòng)，使巡檢機(jī)器人對(duì)地形具有一定的自適應(yīng)能力，進(jìn)一步驗(yàn)證了巡檢機(jī)器人浮動(dòng)式移動(dòng)底盤(pán)設(shè)計(jì)的合理性及優(yōu)越性。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種煤礦井下巡檢機(jī)器人浮動(dòng)式移動(dòng)底盤(pán)，所設(shè)計(jì)的浮動(dòng)式懸架可保證機(jī)器人在行走過(guò)程中，懸架能根據(jù)地形自適應(yīng)調(diào)節(jié)，確保車輪與地面保持接觸，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定支撐與行走。

(2)分析機(jī)器人攀爬臺(tái)階及跨越溝槽的越障機(jī)制，得到最大攀爬臺(tái)階高度及跨越溝槽寬度的理論值，并與仿真值進(jìn)行對(duì)比分析。

(3)分別針對(duì)采用無(wú)浮動(dòng)懸架與浮動(dòng)懸架兩種結(jié)構(gòu)的巡檢機(jī)器人底盤(pán)進(jìn)行坑洼路況運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：浮動(dòng)式底盤(pán)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人質(zhì)心平穩(wěn)變化，對(duì)地形具有一定的自適應(yīng)能力，驗(yàn)證了浮動(dòng)式移動(dòng)底盤(pán)設(shè)計(jì)的可行性及優(yōu)越性。

(4)運(yùn)用ADAMS建立巡檢機(jī)器人浮動(dòng)式底盤(pán)虛擬樣機(jī)，通過(guò)分析機(jī)器人質(zhì)心位置及質(zhì)心速度、加速度曲線，得出巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)具有良好的穩(wěn)定性和越障性能，為巡檢機(jī)器人越障時(shí)質(zhì)心位置控制提供參考。