摘 要自然災害，尤其是煤礦瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后,礦井環(huán)境十分復雜,井下人員面臨極其危險的狀況,需盡快地轉移與救護；而搜救工作異常困難和危險,往往在救援工作中造成救護人員的傷亡。研發(fā)代替或部分代替救護人員及時、快速深入礦井災區(qū)進行環(huán)境探測和搜救工作的救災機器人具有極其重要的意義。本論文研究工作的目的是設計結構新穎、具有獨立可操作性的、抗擊一定沖擊和越障能力的履帶式移動機器人，以適應在復雜環(huán)境和崎嶇路況下工作。本研究意義在于為后續(xù)設計的搜救機器人提供一個基礎的動力平臺，以便于能夠開發(fā)出更多使用功能的搜救機器人，特別是提供一個堅實的移動平臺，搭載一些搜救設備，為井上人員提供救援信息，設計合理救援方案，縮短救援時間，減少傷亡。本設計的搜救機器人移動方案是履帶式驅動結構。該方案采用模塊化設計，便于拆卸維修，可以分段自適應復雜路面，并可主動控制兩側翼板模塊的轉動來調節(jié)機器人姿態(tài)變化，輔助爬坡、越障和跨溝；機器人經(jīng)過合理的結構布局和設計后具有良好的環(huán)境適應能力、機動能力并能抵抗一定高度的掉落沖擊。所設計的機器人移動機構主要由四部分組成：主動輪減速驅動機構、翼板轉動機構、自適應路面執(zhí)行機構、履帶及履帶輪運動機構。對此設計作部件的設計，以及強度校核，最后形成設計理念。關鍵字：搜救機器人；復合移動機構；模塊化設計；AbstractNatural disasters, particularly coal gas coal-dust explosion accident happens, the mine environment is very complex, miners face extremely dangerous situation, it is necessary to transfer and ambulance as soon as possible; And search and rescue work more difficult and dangerous, often in the relief work by ambulance staff casualties. Research and development instead of or part of the rescue personnel to replace mine disaster area, rapidly environmental detection and search and rescue work of the rescue robot has very important significance.This paper studies the purpose of the work is the design of novel structure, has an independent class of operation, resistance to certain impact and the obstacles of the ability to track mobile robot, and to adapt to the complex environment and rugged work conditions. This research significance lies in the design for the follow-up of the search and rescue robot provide a fundamental dynamic platform, in order to be able to develop more function of search and rescue robot, especially to provide a solid mobile platform, playing in some search and rescue equipment, to provide relief information inoue, reasonable design rescue plan, shorten the rescue time, reduce casualties.We design the mobile search and rescue robot scheme is crawler drive structure. The scheme adopts the modular design, easy to remove the maintenance, can block the adaptive complex pavement, and to control the rotation of the two flanks board module to adjust the robot attitude change, auxiliary climbing, the disabled and across the channel; Robot after reasonable structure layout and design with good ability to adapt to the environment, mobility and resistant to a certain degree drop impact. The mobile mechanism of the robot design mainly consists of four parts: active pinwheel reducer drive mechanism, wing turn institutions, adaptive pavement actuators, caterpillar and track the movement institutions. We are for parts design of design, and intensity, the final shape design theory.Key words: search and rescue robots; composite mobile body; modular design 1目錄前 言 .11 緒 論 31.1 課題研究背景及意義 31.1.1 課題研 究背景 .31.1.2 課題研究意義 .41.2 國內(nèi)外的研究概況 .61.2.1 國外研究現(xiàn)狀 .61.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .81.2.3 發(fā)展趨勢 .92 搜救機器人的總體結構方案設計 132.1 井下復雜環(huán)境對救災機器人的要求 .132.2 典型移動機構方案論證分析 .142.2.1 輪式移動機構特點 .142.2.2 腿式移動機構特點 .152.2.3 履帶式移動機構特點 .162.2.4 履、腿式移動機構特點 .172.2.5 輪、履、腿式移動機構性能比較 .182.3 研究設計采用的行走機構 .182.4 救災機器人性能指標與設計 192.5 本章小結 .213 搜救機器人運動參數(shù)設計計算 223.1 搜救機器人越障分析 .223.1.1 搜救機器人跨越臺階 2223.1.2 搜救機器人跨越溝槽 243.2 搜救機器人斜坡運動分析 .253.3 本章小結 264 驅動 電機的選則 264.1 基于平地的最大速度的電機功率計算 264.2 爬坡最大坡度的驅動電機功率計算 274.3 本章小結 285 驅動輪減速器設計 305.1 減速器方案分析 .305.1.1 減速器應滿足的要求 305.1.2 減速器方案分析 .305.2 減速器的設計計算 325.2.1 減速器的傳動方案分析 325.2.2 配齒計算 325.2.3 初步計算齒輪的主要參數(shù) 335.2.4 裝配條件的計算 385.2.5 高速級齒輪強度的驗算 395.2.6 軸的設計及校核 .485.3 本章小結 .516 移 動機構履帶及翼板部分設計 526.1.1 確定帶的型號和節(jié)距 .536.1.2 確定主從動輪直徑 546.2 翼板部分設計 546.3 擺臂作用概述 55致 謝 .583前 言在我國的能源工業(yè)中，煤炭占我國一次能源生產(chǎn)和消費結構中的70% 左右，預計到2050年還將占50%以上，因此，在未來相當長的時間內(nèi)，煤炭仍然是我國的主要能源，由于我國礦井自然條件差，加上技術和管理等諸多方面不到位，以及近年來國家對煤炭資源需求量的不斷增長，使得我國煤礦礦井災害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重。據(jù)統(tǒng)計，2006年我國礦難死亡1517人，百萬噸死亡率為2.00；2007年全國礦難死亡1600人，百萬噸死亡率為2.1；2008年全國煤礦發(fā)生傷亡事故1341 起，死亡1389人，百萬噸死亡率約為1.84，其中一次死亡3～9人的重大事故110起，死亡886人。2009年全國安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示2009全國共發(fā)生一次死亡10 人以上的特大事故 61起：死亡717人，其中煤礦企業(yè)特大事故共發(fā)生18起,死亡330人，死亡人數(shù)仍高居各類安全事故之首。2010年全國煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴峻，目前我國煤礦事故死亡人數(shù)遠遠超過世界其他產(chǎn)煤國家煤礦死亡人數(shù)的總和，約占世界礦難人數(shù)的80%，百萬噸死亡率是美國的100倍、南非的30倍。每年上百次的事故發(fā)生，成千人的礦工死亡，煤礦安全形勢已經(jīng)十分嚴峻。礦井瓦斯爆炸一旦發(fā)生，因受高溫、煙霧、有害氣體和缺氧等影響，以及存在發(fā)生二次災害的可能，救護人員無法知道能否進入或無法直接進入災害現(xiàn)場執(zhí)行營救任務，上述事故中的傷亡人員有相當一部分是救護人員，如陜西黃陵礦業(yè)公司一號煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，2名救護隊員在井下不慎滑倒，將呼吸機鼻夾摔脫落，導致一氧化碳中毒死亡；2005年澠池縣趙溝八礦井4下突然起火，三門峽市礦山救護隊接報后立即趕到現(xiàn)場救災，在救火過程中，突發(fā)瓦斯爆炸，4名救護隊員殉職；2006年六枝工礦集團公司救護大隊的救護隊員在井下實施封閉火區(qū)措施時，火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，造成8名救護隊員死亡。由此可見研發(fā)代替或部分代替救護人員的救災機器人及時、快速深入礦井災區(qū)進行環(huán)境探測和搜救工作具有極其重要的意義。在救援初期，其主要作用是代替礦山救護人員進入災區(qū)，進行環(huán)境探測，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至救援指揮中心，這些環(huán)境信息主要包括瓦斯、CO、氧氣的濃度、環(huán)境溫度、濕度與粉塵情況以及災區(qū)的通風狀況的參數(shù)，還應包括生命和圖像等信息，為救災決策提供重要參考。51 緒 論 1.1 課題研究背景及意義1.1.1 課題研究背景地震、火災、礦難等災難發(fā)生后,在廢墟中搜尋幸存者,給予必要的醫(yī)療救助,并盡快救被困者是救援人員面臨的緊迫任務。實際經(jīng)驗表明,超過48 小時后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低。由于災難現(xiàn)場情況復雜,在救援人員自身安全得不到保證的情況下是很難進入現(xiàn)場開展救援工作的,此外,廢墟中形成的狹小空間使搜救人員甚至搜救犬也無法進入。災難搜救機器人可以很好地解決上述問題。機器人可以在災難發(fā)生后第一時間進入災難現(xiàn)場尋找幸存者,對被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務,進入救援人員無法進入的現(xiàn)場搜集有關信息并反饋給救援指揮中心等。近年來,為了滿足救援工作的需要,國內(nèi)外很多研究機構開展了大量的研究工作,可在災難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機器人如可變形多態(tài)機器人、蛇形機器人等相繼被開發(fā)出來。本文在介紹國內(nèi)外災難搜救機器人最新研究成果及近年來災難現(xiàn)場的實際使用情況的基礎上,根據(jù)現(xiàn)場使用的經(jīng)驗教訓提出了災難救援機器人需要解決的一些關鍵技術問題 ，指出了災難救援機器人的發(fā)展趨勢。本文提出的便攜式救災機器人是一種質量輕，易于單個救援人員背負，具有多種運動姿態(tài)和抗摔能力，采用履帶方式行進6的微小型機器人系統(tǒng)。能夠適應礦井惡劣的災后環(huán)境，對非結構的地形環(huán)境具有良好的自適應能力，具備較好的越障能力和一定高度的抗摔能力。機器人可通過無線電信號進行遠程控制，并能夠加載各種偵測設備對未知環(huán)境進行先期探測并回傳井巷環(huán)境信息，為及時有效的救災提供決策參考。1.1.2 課題研究意義我國煤炭資源豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國。在我國的能源工業(yè)中，煤炭占我國一次能源生產(chǎn)和消費結構中的一半以上，在未來相當長的時間內(nèi)，煤炭仍然是我國的主要能源，由于我國礦井自然條件差，加上技術和管理等諸多方面不到位，以及近年來國家對煤炭資源需求量的不斷增長，使得我國煤礦礦井災害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重。據(jù)統(tǒng)計，2006年我國礦難死亡1517人，百萬噸死亡率為2.00；2007年全國礦難死亡1600人，百萬噸死亡率為2.1；2008年全國煤礦發(fā)生傷亡事故1341 起，死亡1389人，百萬噸死亡率約為1.84，其中一次死亡3～9人的重大事故110起，死亡886人。2009年全國安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示2009全國共發(fā)生一次死亡10 人以上的特大事故61起：死亡717人，其中煤礦企業(yè)特大事故共發(fā)生18起,死亡330 人，死亡人數(shù)仍高居各類安全事故之首。2010年全國煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴峻，目前我國煤礦事故死亡人數(shù)遠遠超過世界其他產(chǎn)煤國家煤礦死亡人數(shù)的總和，約占世界礦難人數(shù)的80%，百萬噸死亡率是美國的100倍、南非的30 倍。每年上百次的事故發(fā)生，成千人的礦工死亡，煤礦安全形勢已經(jīng)十分嚴峻。煤礦作為最復雜、最危險的工作環(huán)境之一，在發(fā)生安全事故7之后，常常會因為井下復雜危險的環(huán)境而阻礙救援人員深入井下開展工作。但煤礦安全形式十分嚴峻，瓦斯爆炸等煤礦事故頻發(fā)，造成了重大的人員傷亡，產(chǎn)生了不良的社會影響。煤礦災害尤其是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后，因受高溫、煙霧、有害氣體和缺氧等影響，以及存在發(fā)生二次災害的可能，礦井環(huán)境十分復雜。救護人員無法知道能否進入或無法直接進入災害現(xiàn)場執(zhí)行營救任務，上述事故中的傷亡人員有相當一部分是救護人員，如陜西黃陵礦業(yè)公司一號煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，2名救護隊員在井下不慎滑倒，將呼吸機鼻夾摔脫落，導致一氧化碳中毒死亡；2005年澠池縣趙溝八礦井下突然起火，三門峽市礦山救護隊接報后立即趕到現(xiàn)場搜救，在救火過程中，突發(fā)瓦斯爆炸，4名救護隊員殉職； 2006 年六枝工礦集團公司救護大隊的救護隊員在井下實施封閉火區(qū)措施時，火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，造成8名救護隊員死亡。井下因災受傷人員面臨極其危險的狀況，需盡快地轉移與救護；而救援工作異常困難和危險，往往在救援工作中造成救護人員的傷亡。由此可見研發(fā)代替或部分代替救護人員的救災機器人及時、快速深入礦井災區(qū)進行環(huán)境探測和搜救工作具有極其重要的意義。在救援初期，其主要作用是代替礦山救護人員進入災區(qū)，進行環(huán)境探測，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至救援指揮中心，這些環(huán)境信息主要包括瓦斯、CO、氧氣的濃度、環(huán)境溫度、濕度與粉塵情況以及災區(qū)的通風狀況的參數(shù)，還應包括生命和圖像等信息，為救災決策提供重要參考。81.2 國內(nèi)外的研究概況1.2.1 國外研究現(xiàn)狀目前，在救災機器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機動、高可靠性移動載體研究方面。如美國移動機器人(TMR)計劃中的便攜式機器人系統(tǒng)(MPRS)．該類機器人主要用于城市戰(zhàn)斗與搜救。如美國智能系統(tǒng)和機器人中心開發(fā)的RATLER礦井探索機器人用于災難后的現(xiàn)場偵查工作，采用電傳遙控方式，有主動紅外攝像機、無線射頻信號收發(fā)器、陀螺儀和危險氣體傳感器等裝備。無線遙控距離約76 米。美國南佛羅里達大學研制的Simbot礦井搜索機器人,小巧靈活，攜帶數(shù)字低照度攝像機和基本氣體監(jiān)視組件，可以通過一個鉆出的小洞鉆進礦井，越過碎石和爛泥，并使用其攜帶的傳感器發(fā)現(xiàn)受害礦工，探測氧氣、甲烷氣體含量，生成礦井地圖。近十年來,美國、日本等西方發(fā)達國家在地震、火災等救援機器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災難現(xiàn)場救援的機器人。（1） 履帶式機搜救機器人履帶式機器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業(yè)的需要，在傳統(tǒng)的輪式移動機器人的基礎上發(fā)展起來的。圖 1 給出了目前國際上幾家著名機器人公司的典型產(chǎn)品，他們主要是為了滿足軍事需要而開發(fā)的，體積普遍偏大，不太適合在倒塌的建筑物廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋幸存者。9a b c（a）Foster-Miller 公司的 Minitrac 機器人（b）Inuktun 公司的 urbot 機器人（c）SPAWAR 的 SOLEM 機器人 圖 1-1 機器人公司給出的典型產(chǎn)品（2） 形狀可變履帶機器人所 謂 形 狀 可 變 履 帶 機 器 人 ， 是 指 該 機 器 人 所 用 履 帶 的 構 形 可以 根 據(jù) 地 形 條 件 和 作 業(yè) 要 求 進 行 適 當 變 化 。 圖 2所 示 為 一 種 形 狀 可變 履 帶 機 器 人 的 外 形 示 意 圖 。 該 機 器 人 的 主 體 部 分 是 兩 條 形 狀 可變 的 履 帶 ， 分 別 由 兩 個 主 電 動 機 驅 動 。 當 兩 條 履 帶 的 速 度 相 同 時 ，機 器 人 實 現(xiàn) 前 進 或 后 退 移 動 ； 當 兩 條 履 帶 的 速 度 不 同 時 ， 機 器 人實 現(xiàn) 轉 向 運 動 。 當 主 臂 桿 繞 履 帶 架 上 的 軸 旋 轉 時 ， 帶 動 行 星 輪 轉動 ， 從 而 實 現(xiàn) 履 帶 的 不 同 構 形 ， 以 適 應 不 同 的 運 動 和 作 業(yè) 環(huán) 境10圖1-2形狀可變履帶機器人外形示意圖為了能進入狹小空間展開搜救工作，要求機器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會受到限制，為了解決這已矛盾，近年來在傳統(tǒng)牽引式多態(tài)搜救機器人。圖 3 為美國 Irobot 公司生產(chǎn)的 Packbot 系列機器人，packbot 機器人有一對鰭形前肢，這對鰭形前肢可以幫助崎嶇的地面上導航，也可以升高感知平臺以便更好地觀察。圖 1-3 為加拿大 inuktun 公司 MicroVGTV 多態(tài)搜救機器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠近靈活地調整形狀和尺寸。(a)正常狀態(tài) （b）直立狀態(tài)圖 1-3 美國 Irobot 公司 packbot 多態(tài)搜救機器人11（a）平躺狀態(tài) （b）半直立狀態(tài) （c）直立狀態(tài)1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國的搜救機器人技術起步較晚，但是近年來引起了越來越多的關注并取得了一定的成果，沈陽自動化研究所、哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學、上海交通大學、廣東富衛(wèi)公司等機構都設計了自己的搜救機器人系統(tǒng)。2005 年中科院沈陽自動化研究所與日本國際救援系統(tǒng)研究院聯(lián)合成立的中日救援與安全機器人技術研究中心，在沈陽揭牌成立，這標志著我國的搜救機器人研究進入了一個更加快速發(fā)展的時期。2006年6月22日，由中國礦業(yè)大學可靠性與救災機器人研究所研制的國內(nèi)首臺煤礦搜救機器人(樣機)在徐州誕生（如圖1-9所示） 。這臺煤礦搜救機器人采用自主避障和遙控引導相結合的行走控制方式，能在煤礦災害發(fā)生后深入事故現(xiàn)場，探測火災溫度、瓦斯?jié)舛取暮鼍?、呼救聲訊等信息，并實時回傳采集到的信息和圖像，為救災指揮人員提供重要的災害信息。同時，機器人還能攜帶急救藥品、生命維持液、食品和千斤頂、撬棍等自救工具以協(xié)助被困人員實施自救和逃生。12圖1-9CUMT-1型礦井搜救機器人1.2.3 發(fā)展趨勢機器人主要有機械機構，動力裝置，驅動裝置，傳感裝置，分析處理裝置，以及視頻搜集信息等裝置組成。而如今其發(fā)展的搜救機器人，主要是為了適應復雜的地理環(huán)境，高危險的環(huán)境，機器人參與救援的力度加大，主要是考慮到人員的安全，但是機器人自理能力還是有待提高，特別是自動移動系統(tǒng)，能夠自主處理前進路上的障礙，而且適應能力還必須很強。現(xiàn)在發(fā)展的機器人，有四足式的，有輪式的，有履帶式的，四足的運動及適應能力好，但是面臨的問題是重心問題，就是對自動調節(jié)重心要求高，隨之就帶來相應的設計問題，要安裝許多的傳感裝置，增加了自身的設計重量和體積，對救援來說是一種負擔，但是卡伊考慮用在火災救援現(xiàn)場，他 對地面狀況要求不高，所以比較好，能很好地適應環(huán)境。輪式的只能適應較平坦的救援，即在障礙物較少的巷道或者露天的有毒氣體彌漫的場合，搜救效果好，而且保障人員的安全，13關鍵是輪式的對泥濘的路面適應能力不強是一種缺憾，導致他不能廣泛用在火災現(xiàn)場，哪里有復雜狀況。履帶式的是一種比較好的設計思路，他兼?zhèn)淞饲斑厓煞N的優(yōu)點，還有自身的優(yōu)點，特別是越障能力是比較占優(yōu)勢，對復雜的礦下環(huán)境能夠快速找到搜救的人員，但是他自身也有一定的發(fā)展問題。首先，越障時候容易誘發(fā)意外。由于機器人需要人來操控，當遇到特別復雜的路況的時候，認得判斷來解決，而實際上，機器人可能做不到理想的效果，甚至可能救援失敗，甚至影響救援。因此這就要求在傳感方面，精度設計要求高，同時，對攜帶的視頻設備要求較高，這樣才能提供出來較準確的判斷，為下一步指導做準備。另外，兩條履帶之間間距的設計要合理，機身與地面高度的設計，都事關機器人在搜救過程能否順利進行的關鍵問題，是否能夠按理想中完成任務，以及其越障的機動性，這才是關鍵的問題，救援也有時間的要求。其次，機器人的智能化。智能機器人是具有思維、感知和行動功智能機器人是具有思維、感知和行動功學、人工智能，微電子學，光學， 傳感技術、材料科學仿生學等學科的綜合成果。智能機器人可獲取、處理和識別多種信息，建立并實時修正環(huán)境模型， 自主地完成較為復雜的操作任務，因此，比一般的工業(yè)機器人具有更大的靈活性、機動性和更廣泛的應用領域。20 世紀電子計算機的發(fā)明，使人類的腦力勞動自動化成為可能，60 年代智能機器人的出現(xiàn)開辟了智14能生產(chǎn)自動化的新紀元。機器和生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化，用機器人代替人完成各種任務， 這是人類智慧發(fā)展和機器進化的飛躍。智能機器人作為新一代的生產(chǎn)工具，在制造領域中應用，能排腺人為的不可控因素， 實現(xiàn)高節(jié)奏、高效和高質量生產(chǎn)，并是未來智能生產(chǎn)系統(tǒng)(如 CIMS)的重要組成部分。在非制造領域，如核工業(yè)、水下、空間、建筑、采掘、教災、排險和作戰(zhàn)等方面，可代替人完成人所不適或力所不及的各種工作，在原予能、水下和外層空間可開辟新的產(chǎn)業(yè)。目前， 我國和許多國家都把智能機器人列為迎接未來挑戰(zhàn)的高技術課題，并制訂發(fā)展規(guī)劃，撥出巨款給予支持。因此，21世紀智能機器人技術將會有突破性的進展。救災機器人是智能化機器人在煤礦領域的全新應用，盡管某些關鍵技術仍需要進一步研究，但救災機器人具有高度的實用價值和廣泛的應用前景。隨著計算機技術、傳感技術、控制技術、材料技術的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡技術和圖像信息處理技術的迅猛發(fā)展，智能機器人的研究已取得了豐碩的研究成果。但是，由于礦井救災機器人特殊的工作環(huán)境和工作要求的不斷提高，礦井救災機器人技術方面還需要有所突破：(1)機械性能方面， 能夠適應礦井惡劣的災后環(huán)境，對非結構的地形環(huán)境具有良好的自適應能力，具備較好的越障能力。(2)新技術和新材料的研發(fā)，礦井災后惡劣的環(huán)境要求用高強度、抗拉抗壓、抗高溫阻燃、不產(chǎn)生電火花的材料。(3)優(yōu)良的導航性能、信息采集能力仍是今后礦井救災機器人導航技術的主要發(fā)展方向。(4)由于礦井中救災機器人單一的傳感器無法滿足高精度定15位需要，因此需要融合多個傳感器測量信息，多傳感器信息融合技術也就自然成為發(fā)展趨勢。(5)多機器人系統(tǒng)是礦井救災機器人技術發(fā)展的主要方向。(6)采用標準化、網(wǎng)絡化、模塊化技術。機器人裝備有通信系統(tǒng)，在與外界進行數(shù)據(jù)信息交換時，采用標準化接口技術，網(wǎng)絡技術可使機器人更具備操控性，同時機器人通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護性、兼容性也更好。2 搜救機器人的總體結構方案設計2.1 井下復雜環(huán)境對救災機器人的要求 在礦井下，周圍環(huán)境跟地面明顯不同，對機器人的要求也就十分高，因此機器人設計方案要適應環(huán)境的變化。井下環(huán)境和氣候與地面不同，井下環(huán)境惡劣，特別是事故剛剛發(fā)生后的井下條件更為惡劣。搜救機器人需要滿足井下工作環(huán)境的特殊要求，具備快速搜尋并且準確定位井下失蹤人員的功能，還要有簡單的急救功能。（1）井下地形礦山井下地形復雜，環(huán)境惡劣。巷道路面多積水，有礦車鐵軌、水溝、風管、線纜等障礙物；支巷道路面窄而不平，多有坡度；工作面處的路面坡度大，有碎煤、支撐、滑道等障礙。災害發(fā)生后，脫落的頂板、巖石、煤塊等形成新的障礙物。復雜的路況要求井下機器人要有較強的越障、避障能力和16行駛功能恢復能力。（2）井下氣候災害后，井下通風系統(tǒng)常受到破壞，使井下氣候發(fā)生明顯的變化，常見瓦斯和粉塵濃度增大，災變區(qū)域的溫度、濕度增加，風量減少。所以二次瓦斯爆炸的危險也常常是影響救護隊員及時下井救護的一個主要因素。為了在高瓦斯下安全工作，搜救機器人需要進行礦用隔爆兼本安型設計；元件在井下溫度變化范圍內(nèi)應能可靠地工作；為了防止煤塵和積水進入車體內(nèi)部和運動副，廂體要進行密封、防水設計。（3）光照與煙霧井下無自然光，機器人只有自帶光源。事故后，往往煙霧充斥巷道和工作面，能見度低，對照明產(chǎn)生一定影響。（4）能源使用井下專用蓄電池供電。因此，井下的特殊環(huán)境要求所設計的搜救機器人形體較小，載荷較大，運動靈活，具有通過狹小空間、碎煤和巖石區(qū)的能力，能夠實現(xiàn)較大弧度的轉動，較強的越障、爬坡能力，以及防爆、防水、耐高溫、視覺防塵等功能。2.2 典型移動機構方案論證分析便攜式機器人按移動方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進移動式、蠕動式、混合移動式、蛇行移動式等。2.2.1 輪式移動機構特點輪式移動機構在救災機器人中是最為普通的運動方式，輪式機器人移動機構普遍具有結構簡單、運動速度快、能源利用率高17的、機動性好強的特點，同時具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時間短和工作效率高等優(yōu)勢?？刂频慕嵌瓤?，編程簡單并有較高的可靠性，每個輪子都可以獨立驅動。與履帶式移動機器人相比，當跨越不平坦地形時，輪式機器人有著固有的不足，限制了其運動能力，其穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對于進入復雜的環(huán)境完成既定任務存在嚴重的困難。輪式移動機構按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結構存在著一定的局限性，只能在相對平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面(如沼澤、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷，但可根據(jù)具體地面環(huán)境采用一些預防措施來緩解該類情況的出現(xiàn)，如采用不同種類的款式輪胎以提高其越野能力，象沙漠車輛、山地車輛等，其各種結構如圖2-1所示。圖 2-1 輪式移動裝置示意圖2.2.2 腿式移動機構特點腿足式移動機構分 2 腿、4 腿、6 腿、8 腿等形式。腿式移動機構優(yōu)點有：18(1)腿式機器人的地形適應能力強。腿式機器人運動軌跡由一系列離散點組成，崎嶇地形可以給這些離散點提供支撐，使機器人平穩(wěn)運動；而輪式和履帶式機器人的運動是連續(xù)規(guī)跡，有些起伏較大的地形則不支持這種連續(xù)運動軌跡，進而限制了該類機器人活動范圍。(2)腿式機器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調節(jié)腿的長度可以控制機器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高；(3)腿式機器人的身體與地面分離，這種機械結構優(yōu)點在于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動機器人如圖2-2所示，特點是穩(wěn)定性好，越野能力強。腿式移動機構缺點有：(1)該類機器人的移動速度慢，機動性較差．因此機器人的負載不能太重；(2)腿式機器入對地面適應性和運動靈活性需要進一步提高；(3)腿式機器人控制系統(tǒng)較為復雜，控制方法還有待完善；(4)該機構未進入實用化階段。圖 2-2 八腿機器人 192.2.3 履帶式移動機構特點履帶式移動機構分為l條履帶、2條履帶(履帶可車體左右布置或者車體前后布置)、3條履帶、4條履帶，6條履帶，履帶式移動機構與地面較大的接觸面積，因此在較大的區(qū)域內(nèi)分布機器人的重量，較大的接觸區(qū)域使機器人具有較好的驅動牽引力，機動性能好、越野性能強，缺點是結構復雜、重量大、摩擦阻力大，機械效率低，在自身重量比較大的情況下會對路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動機構比較輪式移動機構有以下幾個特點：（1）撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好；（2）越野機動往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結構；（3）履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好；（4）結構較復雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件易損壞。圖2-3為一部分履帶式移動機構的簡圖圖 2-3 履帶式移動裝置示意圖202.2.4 履、腿式移動機構特點履腿復合移動機構綜合了履帶式和腿式兩種移動機構的優(yōu)勢，在地面適應性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機構地面適應性能好，在復雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機構無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機構往往是兩條履帶與車身相對固定，很大程度上限制了機器人地形適應能力(此時機器人履帶高度和長度直接決定了機器人越障、跨溝等性能)，為了解決該問題履式移動系統(tǒng)中引入了關節(jié)履帶機構，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉動，這樣能大大提高機器人的環(huán)境適應能力，但履、腿復合機構本身存在著一定的不足如結構復雜、運動控制困難等。2.2.5 輪、履、腿式移動機構性能比較車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表 2-1 所示。表 2-1 典型移動機構的性能對比移動方式 輪式 履帶式 腿式移動速度 快 較快 慢越障能力 差 一般 好復雜程度 簡單 一般 復雜能耗量 小 較小 大21通過表格可以清楚地對比出那個方案比較更適合井下救援，對環(huán)境的適應性就更好，所以選擇了四履帶搜救機器人設計方案，它的適應能力相對較強，適合復雜環(huán)境。2.3 研究設計采用的行走機構設計出來的便攜式履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履、腿(輪)復合結構，該結構最大優(yōu)點在于在傳統(tǒng)履帶移動機構的基礎上增加了轉動關節(jié)，加強了機器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應能力。機器人能根據(jù)地形條件的復雜程度，通過主動調節(jié)兩側履帶與車身約束關系來選擇自適應環(huán)境或者是主動適應環(huán)境。自適應環(huán)境可以提高機器人運動穩(wěn)定性能、平順性能；主動適應環(huán)境可以提高機器人通過性能，機器人設計方案如下圖2-4所示。圖 2-4 便攜式履帶機器人結構組成1.后輪驅動電機及組件 2.擺臂電機及組件 3.主履帶 4.擺臂履帶 5.齒輪控制難易 易 一般 復雜222.4 救災機器人性能指標與設計由于煤礦井下環(huán)境的特殊性和復雜性煤礦井下搜救機器人的總體設計須滿足適合井下復雜地形、防爆、防碰撞等要求，同時所載的子系統(tǒng)安裝、使用要方便。在地面移動機器人家族中，履帶機器人具有很強的地形適應性，能夠適應惡劣的路面條件，因此得到了廣泛的應用。但普通的履帶移動移動機構結構復雜，重量大，運動慣性大，減震性能差，零件易損壞。為克服普通履帶式移動機構的缺點，給煤礦井下搜救機器人履帶式移動機構加裝前擺。機器人加裝前擺臂的優(yōu)點：機器人重心將前移，實現(xiàn)機器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實現(xiàn)機器人傾翻后自復位。為提高其地形適應性，前擺臂兩個擺臂關節(jié)單獨控制和單獨驅動。總體設計方案如圖 2-4 所示。采用后輪驅動，差速轉向，可實現(xiàn)原地 360°轉向。擺臂電動機驅動擺臂可在 360°范圍內(nèi)旋轉，提高機器人跨越溝槽和爬越臺階的越障的能力和翻轉后自復位的功能。根據(jù)井下環(huán)境對機器人的要求，主要設計性能參數(shù)如下：L1=600mm,L2=350mm,R=80mm,r=35mm,B(車體寬度)=500mm。車體質量為 50kg,擺臂質量不超過 5kg,機器人做直線運動最大速度等于 1m/s,自備電源運行時間大于等于 4 小時。最大越障高度H=300mm，跨越最大溝壑寬度 C=500mm。如 2-5 圖：23圖 2-5設計注意事項：機械產(chǎn)品設計除了應滿足產(chǎn)品使用性能外，還應滿足制造工藝要求，否則就有可能影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，嚴重時甚至無法生產(chǎn)。一個工藝性評價低劣的產(chǎn)品，在激烈競爭的市場經(jīng)濟環(huán)境中是站不住腳的。一個好的產(chǎn)品設計必須同時是一個好的工藝師。機械產(chǎn)品設計的工藝性評價實際是評價所設計的產(chǎn)品在滿足使用要求的前提下，制造、維修可行性和經(jīng)濟性。這里所說的經(jīng)濟性是一個含意寬廣的術語，它應是材料消耗要少、制造勞動要少、生產(chǎn)效率要高和生產(chǎn)成本要低的綜合。評價機械產(chǎn)品設計的機械加工工藝性可以從以下幾個方面進行評價:（1）零件結構要素必須符合標準規(guī)定（2）盡量采用標準件和普通件（3）在滿足產(chǎn)品使用性能的條件下，零件圖上標注的尺寸精度等級好表面粗糙度要求應取經(jīng)濟值（4）盡量選用切削加工性好的材料（5）有便于裝夾的定位基準和夾緊表面（6）保證能以較高的生產(chǎn)率加工（7）保證刀具正常工作24（8）加工時工件應有足夠的剛性機械產(chǎn)品設計的裝配工藝性評價（1）機器結構應能劃分成幾個獨立的裝配單元（2）盡量減少裝配過程中的修配勞動量和機械加工勞動量（3）機器結構應便于裝配和拆卸機械產(chǎn)品設計的最初環(huán)節(jié)，是先要針對該產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構思。這種針對主要功能的原理性設計，可以簡稱為“功能原理設計” 。功能原理設計的重點在于提出創(chuàng)新構思，是思維盡量“發(fā)散”，力求提出較多的解法供比較選優(yōu)。對構件的具體結構、材料和制造工藝等則不一定要有成熟的考慮，因此常只需用簡圖或示意圖來表示所構思的內(nèi)容。功能原理設計是對產(chǎn)品的成敗起決定性作用的工作。2.5 本章小結本章重點介紹了國內(nèi)外履帶機器人的移動方式，對三種常見的移動方式(輪式、履帶式、腿式)在越野性能、移動速度、機構復雜程度、控制難易程度等幾方面進行了比較和分析，就研制的礦用履帶搜救機器人應達到的性能指標提出了具體要求。253 搜救機器人運動參數(shù)設計計算3.1 搜救機器人越障分析3.1.1 搜救機器人跨越臺階（1）越障機理分析當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地面之間的夾角將隨時間而逐漸增加，其重心越過臺階的支撐點時，機器人就跨過了臺階完成爬越動作。（2）越障過程分析26煤礦井下搜救機器人爬越臺階的過程如圖 3-1 所示，機器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機構的驅使下，使其主履帶前端搭靠在臺階的支撐點上，機器人繼續(xù)移動，驅動擺臂逆時針擺動，當機器人重心越過臺階邊緣時，旋轉擺臂關節(jié)，機器人在自身重力影響下，車體下移，機器人成功地爬越臺階。圖 3-1 機器人爬越臺階過程由運動過程可以看出，機器人在越障第三階段圖 3-1（C）重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。圖 3-2 機器人上臺階臨界狀態(tài)示意圖由圖 3-2 所示幾何關系可得：