履帶式搜救機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計,履帶式搜救機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計,履帶式,搜救,機(jī)器人,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計 河南理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 指導(dǎo)教師： 鄧樂 職稱： 教授 所在院（系）： 機(jī)械與動力工程學(xué)院 教研室（研究室）： 機(jī)械設(shè)計教研室 題 目 履帶式搜救機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)生姓名 張樹祺 專業(yè)班級 07機(jī)制2班 學(xué)號 0720150074 一、 選題質(zhì)量：（主要從以下四個方面填寫：1、選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，能否體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求；2、題目難易程度；3、題目工作量；4、題目與生產(chǎn)、科研、經(jīng)濟(jì)、社會、文化及實驗室建設(shè)等實際的結(jié)合程度） 此次所選擇的題目為履帶式搜救機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)容涉及到對機(jī)器人的總體布置和理論研究，局部機(jī)械零件和傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計，計算與校核，同專業(yè)課程緊密聯(lián)系，符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，在設(shè)計工作中，需要對所學(xué)知識綜合地加以運用，使之能夠熟練應(yīng)用有關(guān)參考資料，體現(xiàn)了綜合訓(xùn)練的要求。但因機(jī)器人設(shè)計是一個前沿性的課題，這就對設(shè)計者提出較高的要求，需要查閱大量的資料，題目具有一定難度，由于設(shè)計過程中零部件多為微型元件，沒有標(biāo)準(zhǔn)這就給設(shè)計帶來了不便，工作量也是很大的。此次選題與我國煤炭生產(chǎn)安全問題密切相關(guān)，是符合社會發(fā)展和科學(xué)發(fā)展需要的。 二、開題報告完成情況： 1.根據(jù)設(shè)計要求，相關(guān)資料的收集整理，畢業(yè)實習(xí)報告，翻譯與設(shè)計題目相關(guān)的英文資料均已基本完成。 2.對搜救機(jī)器人在實際使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行理論性研究和設(shè)計，且進(jìn)行了大量的設(shè)計計算。 3.已完成了對相關(guān)資料的查閱，對課題有了總體的分析，開題報告也已順利完成。 三、階段性成果： 1．本次設(shè)計的開題報告已經(jīng)完成，設(shè)計方案已經(jīng)確定，基本完成了機(jī)器人機(jī)械傳動的設(shè)計。 2．結(jié)構(gòu)設(shè)計和校核工作正在進(jìn)行中，部分零件圖的繪制已經(jīng)基本完成，英文翻譯工作已結(jié)束，已開始制作設(shè)計說明書的工作。 四、存在主要問題： 1.對部分零件的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝尺寸掌握的不夠準(zhǔn)確； 2.因為該機(jī)器人傳動裝置體積較小，部分設(shè)計沒考慮到與常規(guī)機(jī)械的不同之處； 3．對設(shè)計中的強度校核不太清楚，部分專業(yè)課知識不扎實； 4.在應(yīng)用CAD,PRO-E等繪圖軟件時還不太熟練； 5.設(shè)計中應(yīng)用到一些國外的電機(jī)元件，導(dǎo)致所獲得的資料不夠充分，對后期的數(shù)據(jù)校驗和驗證帶來不便。 五、指導(dǎo)教師對學(xué)生在畢業(yè)實習(xí)中，勞動、學(xué)習(xí)紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)展等方面的評語 指導(dǎo)教師： （簽名） 年 月 日 前言 畢業(yè)實習(xí)是我們機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中不可缺少的組成部分，并作為一個獨立的項目列入專業(yè)教學(xué)計劃中的。其目的在于通過實習(xí)使我們獲得基本生產(chǎn)的感性知識，理論聯(lián)系實際，擴(kuò)大知識面；了解這些工廠的生產(chǎn)情況，與本專業(yè)有關(guān)的各種知識，各廠工人的工作情況等等。親身感受了所學(xué)知識與實際的應(yīng)用；同時畢業(yè)實習(xí)又是鍛煉和培養(yǎng)我們業(yè)務(wù)能力及素質(zhì)的重要渠道，培養(yǎng)當(dāng)代大學(xué)生具有吃苦耐勞的精神，也是我們接觸社會、了解產(chǎn)業(yè)狀況、了解國情的一個重要途徑，逐步實現(xiàn)由學(xué)生到社會的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)我們初步擔(dān)任技術(shù)工作的能力、初步了解企業(yè)管理的基本方法和技能；體驗企業(yè)工作的內(nèi)容和方法。這些實際知識，對我們學(xué)習(xí)后面的課程乃至以后的工作，都是十分必要的基礎(chǔ)。 1．實習(xí)目的和意義 隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對煤炭的需求量在逐年增加，但由于煤炭生產(chǎn)多是在井下作業(yè)，井下環(huán)境惡劣、條件復(fù)雜、災(zāi)害嚴(yán)重，時刻受到水、火、瓦斯、煤塵的威脅，煤礦事故時有發(fā)生，因此礦井是最迫切需要機(jī)器人的地方。煤礦井下搜救機(jī)器人的越障能力是其能否發(fā)揮作用的重要因素，本文首先提出了機(jī)器人總體設(shè)計方案，然后從運動學(xué)角度分析了機(jī)器人克服臺階、溝槽、斜坡等典型障礙的運動機(jī)理及其最大越障能力并建立數(shù)學(xué)模型給出奇異位置，為確定機(jī)器人在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力提供理論依據(jù)。 考慮到礦井自然條件差，加上技術(shù)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(zāi)害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重，災(zāi)害后的救援工作又是極為困難和危險,因此研發(fā)具有環(huán)境探測和搜救功能的煤礦救災(zāi)機(jī)器人十分必要。在救援初期,主要使用災(zāi)后救災(zāi)機(jī)器人,其主要作用是代替礦山救護(hù)人員進(jìn)入災(zāi)區(qū),進(jìn)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(zāi)區(qū)的通風(fēng)狀況的參數(shù),還應(yīng)包括生命和圖像等信息,為救災(zāi)決策提供重要參考 由于煤礦災(zāi)害尤其是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后,礦井環(huán)境十分復(fù)雜,井下因災(zāi)受傷人員面臨極其危險的狀況,需盡快地轉(zhuǎn)移與救護(hù);而救援工作異常困難和危險,往往在救援工作中造成救護(hù)人員的傷亡。研發(fā)代替或部分代替救護(hù)人員及時、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進(jìn)行環(huán)境探測和搜救工作的救災(zāi)機(jī)器人具有極其重要的意義。 2．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2.1國外研究狀況： 目前，在救災(zāi)機(jī)器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機(jī)器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機(jī)動、高可靠性移動載體研究方面。如美國移動機(jī)器人(TMR)計劃中的便攜式機(jī)器人系統(tǒng)(MPRS)．該類機(jī)器人主要用于城市戰(zhàn)斗與搜救。如美國智能系統(tǒng)和機(jī)器人中心開發(fā)的RATLER礦井探索機(jī)器人用于災(zāi)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(jī)、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(dá)大學(xué)研制的Simbot礦井搜索機(jī)器人,小巧靈活，攜帶數(shù)字低照度攝像機(jī)和基本氣體監(jiān)視組件，可以通過一個鉆出的小洞鉆進(jìn)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。 下圖為美國及其它國家在研的各種履帶式可變形機(jī)器人： 如圖2-1,2-2所示，這是美國iRobot的一種較小型“PackBot”機(jī)器人，現(xiàn)服役于美國軍隊，這個“PackBot”搭配了一個爆炸物感應(yīng)系統(tǒng)，有效地探測炸彈。目前這種測試系統(tǒng)還處于實驗階段?！癙ackBot”機(jī)器人還以進(jìn)行挖掘和拆彈工作。配備了稱為“explosive ordnance disposal”(eod)和工程師的全套工具，可以對土壤進(jìn)行挖掘，然后舉起相當(dāng)于自身重量2倍的炸彈。 圖2-2這種iRobot SUGV的機(jī)器人是一種小型地面探測車，重量僅為30磅。它帶有一個稱為“tactical head”的頭部，還有一個相機(jī)、一個紅外感應(yīng)器和一個可即時傳送影像的攝像頭。 圖2-1 RackBot準(zhǔn)備展開 圖2-2 SUGV機(jī)器人 Foster-miller公司研制了Talon機(jī)器人，該機(jī)器人采用履帶方式行進(jìn)，內(nèi)部裝備有兩臺普通直流電機(jī)，電機(jī)通過兩根鏈條帶動履帶輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機(jī)器人運動；另外機(jī)器人前后履帶輪中間安裝有一小型承重輪，該輪不僅能承載一部分負(fù)荷同時也能在機(jī)器人轉(zhuǎn)向時起到支撐作用，減少履帶與地面之間的摩擦，提高機(jī)器人轉(zhuǎn)向能力。Talon機(jī)器人可以完成各種偵察、巡邏工作。機(jī)器人外形參數(shù)尺寸為86.4cm×57.2cm×27.9 cm，重約39Kg，能潛水30.5m，爬45度斜坡。 圖2-3 Talon機(jī)器人 2003年，澳大利亞SIMTARS煤礦研究人員與美國機(jī)器人輔助救援中心(CRASAR)合作，開發(fā)了一個煤礦災(zāi)害搜救機(jī)器人，并在澳大利亞昆士蘭州的15米地下訓(xùn)練場進(jìn)行了試驗。這個機(jī)器人專門是為礦山災(zāi)害而研制。它的尺寸大小像一個蜂蜜罐子，它可以通過地面的鉆孔進(jìn)入煤礦井下然后爬過障礙物和泥漿，利用傳感器搜尋被困礦工，探測有毒或者可燃性氣體，還可以將地面供氣供水軟管拖到被困礦工身邊，給他們新鮮的空氣和水。這種機(jī)器人在通過鉆孔時像一條蛇一樣將自己擠過巖石，一旦到達(dá)井下地面，就會像一個小型坦克一樣行動，搜尋被困礦工。CRASAR希望能夠進(jìn)一步為該機(jī)器人添加新型的醫(yī)學(xué)傳感器，讓救援義務(wù)人員能夠通過觀看、交談、診斷的方式來了解被困礦工的健康狀況。 Inuktun公司推出的UGTV機(jī)器人具有獨特履帶可變形功能(如圖2-4所示)，可以輔助攀爬和擴(kuò)大機(jī)器人視野，曾在“911”事件的搜救任務(wù)中大顯身手；加拿大Sherbrook大學(xué)研制的AZIMUT機(jī)器人(如圖2-5所示)，該機(jī)器人采用輪、履、腿復(fù)合移動機(jī)構(gòu)，具有四個履腿模塊，每個履腿模塊與本體相連接時有3個自由度，機(jī)器人運動功能多樣，越障能力強，上下臺階方便；但結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，僅電機(jī)就有12個，運動控制困難，該機(jī)器入主要用于室內(nèi)環(huán)境執(zhí)行反恐、排爆任務(wù)。 圖2-4 UGTV機(jī)器人 圖2-5 AZIMUT機(jī)器人 僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機(jī)器人，現(xiàn)在2006年的新一代機(jī)器人已經(jīng)上市了，其結(jié)構(gòu)比以前的更加輕便，體積更小。這款機(jī)器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機(jī)器人一樣的功能。 這款機(jī)器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)從而有了一些與大型機(jī)器人類似的功能，所以它小得以至于可以在地鐵車廂或者飛行工具里操作，同時又足夠大得可以直接處理一些在所有現(xiàn)行飛機(jī)的頭頂貯藏室里的可疑項目處理。 圖2-6 telemax 這款產(chǎn)品具有很大的創(chuàng)新價值，經(jīng)過數(shù)十年經(jīng)驗的累計取得了變結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的重大發(fā)展。 圖2-7 telemax行走姿勢 它的機(jī)械結(jié)構(gòu)由4個獨立履帶齒輪驅(qū)動技術(shù)提供了非凡的移動力，它可以爬坡45度，并且可以越障500mm的高度，它做的比其它很多類似機(jī)器人都好，它的可伸展的上臂加上一個高度可調(diào)的地盤，給予了這款機(jī)器人一個可達(dá)到的非凡的垂直高度2350mm。它的鉗子可以吊起重達(dá)5Kg的貨物，這就意味著它可以裝配彈道系統(tǒng)和其它工具。 圖2-8 telemax防爆機(jī)器人 2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國的搜救機(jī)器人技術(shù)起步較晚，但是近年來引起了越來越多的關(guān)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(xué)、國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣東富衛(wèi)公司等機(jī)構(gòu)都設(shè)計了自己的搜救機(jī)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(jī)器人技術(shù)研究中心，在沈陽揭牌成立，這標(biāo)志著我國的搜救機(jī)器人研究進(jìn)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(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所研制的國內(nèi)首臺煤礦搜救機(jī)器人(樣機(jī))在徐州誕生（如圖2-9所示）。這臺煤礦搜救機(jī)器人采用自主避障和遙控引導(dǎo)相結(jié)合的行走控制方式，能在煤礦災(zāi)害發(fā)生后深入事故現(xiàn)場，探測火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛?、?zāi)害場景、呼救聲訊等信息，并實時回傳采集到的信息和圖像，為救災(zāi)指揮人員提供重要的災(zāi)害信息。同時，機(jī)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。 圖2-9CUMT-1型礦井搜救機(jī)器人 3． 履帶式移動機(jī)與其它行走機(jī)構(gòu)之間的對比 3.1履帶式移動機(jī)構(gòu)特點 履帶式移動機(jī)構(gòu)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，移動方式優(yōu)點在于機(jī)動性能好、越野性能強，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機(jī)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(jī)構(gòu)比較輪式移動機(jī)構(gòu)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(jī)動往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)； (3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好； (4)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件易損壞。 3.2履、腿式移動機(jī)構(gòu)特點 履腿復(fù)合移動機(jī)構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機(jī)構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)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(jī)構(gòu)無法與其比擬，適合作為機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機(jī)構(gòu)往往是兩條履帶與車身相對固定，很大程度上限制了機(jī)器人地形適應(yīng)能力(此時機(jī)器人履帶高度和長度直接決定了機(jī)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(guān)節(jié)履帶機(jī)構(gòu)，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動，這樣能大大提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機(jī)構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動控制困難等。 (1)腿式機(jī)器人的地形適應(yīng)能力強。腿式機(jī)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(jī)器人平穩(wěn)運動；而輪式和履帶式機(jī)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(jìn)而限制了該類機(jī)器人活動范圍。 (2)腿式機(jī)器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調(diào)節(jié)腿的長度可 以控制機(jī)器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高； (3)腿式機(jī)器人的身體與地面分離，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于機(jī)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(jī)器人特點是穩(wěn)定性好，越野能力強。 腿式移動機(jī)構(gòu)缺點有：(1)該類機(jī)器人的移動速度慢，機(jī)動性較差．因此機(jī)器人的負(fù)載不能太重；(2)腿式機(jī)器入對地面適應(yīng)性和運動靈活性需要進(jìn)一步提高；(3)腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善；(4)該機(jī)構(gòu)未進(jìn)入實用化階段。 3.3輪、履、腿式移動機(jī)構(gòu)性能比較 車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表3-1所示。 移動機(jī)構(gòu)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 機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜 能耗量 小 較小 大 機(jī)構(gòu)控制難易程度 易 一般 復(fù)雜 表3-1典型移動機(jī)構(gòu)的性能對比表 4．煤礦井下搜救機(jī)器人總體設(shè)計及越障分析 由于煤礦井下環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性煤礦井下搜救機(jī)器人的總體設(shè)計須滿足適合井下復(fù)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(jī)器人家族中，履帶機(jī)器人具有很強的地形適應(yīng)性，能夠適應(yīng)惡劣的路面條件，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但普通的履帶移動移動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)構(gòu)的缺點，給煤礦井下搜救機(jī)器人履帶式移動機(jī)構(gòu)加裝前擺。機(jī)器人加裝前擺臂的優(yōu)點：機(jī)器人重心將前移，實現(xiàn)機(jī)器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實現(xiàn)機(jī)器人傾翻后自復(fù)位。為提高其地形適應(yīng)性，前擺臂兩個擺臂關(guān)節(jié)單獨控制和單獨驅(qū)動。 總體設(shè)計方案如圖4-1所示。采用后輪驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，可實現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向。擺臂電動機(jī)驅(qū)動擺臂可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，提高機(jī)器人跨越溝槽和爬越臺階的越障的能力和翻轉(zhuǎn)后自復(fù)位的功能。 1-后輪驅(qū)動電機(jī)及其組件 2-擺臂電機(jī)及其組件 3-主履帶 4-擺臂履帶 5-齒輪 圖4-1煤礦井下搜救機(jī)器人總體方案 4.1越障分析 4.1.1跨越臺階 （1）越障機(jī)理分析 當(dāng)機(jī)器人在爬越臺階時，機(jī)器人履帶底線與地平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(jī)器人就跨過了臺階，完成爬越動作。 （2）越障過程分析 煤礦井下搜救機(jī)器人爬越臺階的過程如圖2所示，機(jī)器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，使其主履帶前端搭靠在臺階的支撐點上，機(jī)器人繼續(xù)移動，驅(qū)動擺臂逆時針擺動，當(dāng)機(jī)器人重心線越過臺階邊緣時，旋轉(zhuǎn)擺臂關(guān)節(jié)，機(jī)器人在自身重力影響下，車體下移。機(jī)器人成功地爬越臺階。 圖4-2機(jī)器人爬越臺階過程 由運動過程可以看出，機(jī)器人在越障第三階段圖4-2（C）重心的位置處于臨界狀態(tài)，機(jī)器人重心只有越過臺階邊緣，機(jī)器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機(jī)器人的最大越障高度。 圖4-3機(jī)器人上臺階臨界狀態(tài)示意圖 由圖4-3所示幾何關(guān)系可得： （1） 變換式（1）可得： （2） （3） 利用式（3）求出，代入式（2）可算出機(jī)器人跨越障礙的最大高度。 4.1.2跨越溝槽 （1）越障機(jī)理分析 對于小于機(jī)器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機(jī)器人重心在機(jī)器人車體內(nèi)，當(dāng)機(jī)器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機(jī)器人就越過了溝槽，完成了跨越動作。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當(dāng)溝槽大于中心距時，履帶式機(jī)器人可以看做爬越凸臺障礙。 （2）越障分析 履帶式移動機(jī)器人跨越溝槽時，機(jī)器人重心不斷向前移動，當(dāng)重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機(jī)器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機(jī)器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機(jī)器人重心在以r為半徑的圓內(nèi)[2]，由于擺臂展開后機(jī)器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)[3]。 圖4-4跨越溝槽示意圖 機(jī)器人在平地圖4-4（a）跨越溝槽的寬度： （4） 在角度為的斜坡圖4-4(b)上跨越溝槽的寬度： （5） 4.2斜坡運動分析 機(jī)器人在斜坡上運動時，其受力情況如圖4-5所示，機(jī)器人勻速行駛或靜止時，其驅(qū)動力： （6） 圖4-5機(jī)器人上坡受力示意圖 最大靜摩擦力系數(shù)為，則最大靜摩擦力為： （7） 當(dāng)時，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。 當(dāng)時，機(jī)器人受重力的影響將沿斜面下滑。 已知煤礦井下機(jī)器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù)，則機(jī)器人爬越的最大坡度為: （8） 爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為： （9） 通過上述分析，可以根據(jù)機(jī)器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機(jī)的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。 5．設(shè)計性能及指標(biāo) 如圖5-1 L1=950mm,L2=450mm,R=225mm,r=100mm,B(車體寬度)=750mm 車體質(zhì)量為80kg,每個擺臂質(zhì)量為5kg,機(jī)器人做直線運動最大速度等于2.5m/s,自備電源運行時間大于等于4小時。 6．履帶式搜救機(jī)器人的發(fā)展趨勢 目前便攜式、履帶機(jī)器人在民用領(lǐng)域主要用途是安全監(jiān)視、反恐、排爆、消防、搜救；在軍事領(lǐng)域主要用途是洞穴、建筑物勘測、掃雷、破障、生化戰(zhàn)劑探測等；但這還遠(yuǎn)不能滿足目前日益增長的生產(chǎn)、生活需求和軍事需求，正因為如此，世界各國開始積極拓展小型履帶式機(jī)器人的使用范圍，包括將便攜式履帶機(jī)器人用于家庭服務(wù)、科學(xué)考察、充當(dāng)旅行助手或者是在戰(zhàn)爭中用于目標(biāo)指示、火力發(fā)射、戰(zhàn)術(shù)運輸、通信中繼等。 通過對國內(nèi)外履帶式搜救機(jī)器人的現(xiàn)狀的分析，可以看出履帶式搜救機(jī)器人今后的發(fā)展有以下幾個方面的趨勢： （1）結(jié)構(gòu)上，趨向小型、微型。 （2）運動上，趨向全方位，更靈活，更具自主性。現(xiàn)有的履帶移動機(jī)器人，局限在一般的地面環(huán)境里，以后會要求機(jī)器人能在越來越多的環(huán)境中實現(xiàn)多維運動、過渡運動，能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行識別，能適應(yīng)未知環(huán)境。 （3）在用途上，趨向于功能多功能化。比如拓展其應(yīng)用到軍事上，用于軍事偵察，甚至于軍事攻擊。 7．實習(xí)小結(jié) 通過本次畢業(yè)實習(xí)，使我對國內(nèi)外的機(jī)器人發(fā)展有了更加深刻的了解，開闊了視野。使我對以往所學(xué)的知識有了更進(jìn)一步的鞏固，對以前沒接觸過的知識有了深刻地了解，讓我對所設(shè)計的課程的具體結(jié)構(gòu)有了深入認(rèn)識。同時，我也對現(xiàn)代加工方法有了一定的認(rèn)識，與傳統(tǒng)的加工方法相比，提高了加工生產(chǎn)效率，大大減少了勞動力，減輕了勞動工人的作業(yè)強度。也讓我們真正認(rèn)識到科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的重要性。同時，我們也認(rèn)識了機(jī)械方面的先進(jìn)技術(shù)和高科技領(lǐng)域，使我們以后從事機(jī)械方面的發(fā)展有了新的認(rèn)識。 最后我要感謝畢業(yè)實習(xí)指導(dǎo)老師鄧?yán)蠋?，在此次實?xí)過程中鄧?yán)蠋熃o了我很多幫助，也感謝我們畢業(yè)設(shè)計同組的同學(xué)們，在此次實習(xí)中他們也給予了我很多幫助，謝謝！ 參考文獻(xiàn) [1] Gordon McComb主編. 機(jī)器人設(shè)計與實現(xiàn). 北京：科學(xué)出版社 2008 [2] 濮良貴 主編. 機(jī)械設(shè)計[第八版].北京：高等教育出版社，2006 [3] 徐元呂 主編. 工業(yè)機(jī)器人.北京：中國輕工業(yè)出版社，2006 [4] 李科杰．危險作業(yè)機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]．機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用2003(5)：14-22 [5] 李東曉. 機(jī)器人技術(shù)在煤礦自動化中的應(yīng)用 .煤炭科學(xué)技術(shù).2007 [6] 錢善華 王勇等. 機(jī)器人研究的現(xiàn)狀及煤礦搜救的應(yīng)用. 機(jī)器人，2006(5) [7] 孟慶鑫，王曉東.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版，2006 [8] Danna Voth . 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Latombe,B.Kennedy,and H.Aghazarian.Free-climbing with a multi-use robot.In Int.symp.Exp.Rob.,Singapore,2004 14 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目名稱 履帶式搜救機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)生姓名 張樹祺 專業(yè)班級 07機(jī)制2班 學(xué)號 0720150074 一、選題的目的和意義 在我國雖然煤炭資源豐富，但考慮到礦井自然條件差，加上技術(shù)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(zāi)害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重，災(zāi)害后的救援工作又是極為困難和危險,因此研發(fā)具有環(huán)境探測和搜救功能的煤礦救災(zāi)機(jī)器人十分必要。在救援初期,主要使用災(zāi)后救災(zāi)機(jī)器人,其主要作用是代替礦山救護(hù)人員進(jìn)入災(zāi)區(qū),進(jìn)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(zāi)區(qū)的通風(fēng)狀況的參數(shù),還應(yīng)包括生命和圖像等信息,為救災(zāi)決策提供重要參考 由于煤礦災(zāi)害尤其是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后,礦井環(huán)境十分復(fù)雜,井下因災(zāi)受傷人員面臨極其危險的狀況,需盡快地轉(zhuǎn)移與救護(hù);而救援工作異常困難和危險,往往在救援工作中造成救護(hù)人員的傷亡。研發(fā)代替或部分代替救護(hù)人員及時、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進(jìn)行環(huán)境探測和搜救工作的救災(zāi)機(jī)器人具有極其重要的意義。 二、國內(nèi)外研究綜述 從20年代80年代起，國內(nèi)外就對小型履帶式機(jī)器人進(jìn)行了研究。 目前，在救災(zāi)機(jī)器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機(jī)器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機(jī)動、高可靠性移動載體研究方面。如美國移動機(jī)器人(TMR)計劃中的便攜式機(jī)器人系統(tǒng)(MPRS)，Inuktun公司推出的UGTV機(jī)器人具有獨特履帶可變形功能，可以輔助攀爬和擴(kuò)大機(jī)器人視野，曾在“911”事件的搜救任務(wù)中大顯身手；加拿大Sherbrook大學(xué)研制的AZIMUT機(jī)器人，該機(jī)器人采用輪、履、腿復(fù)合移動機(jī)構(gòu)，具有四個履腿模塊，每個履腿模塊與本體相連接時有3個自由度，機(jī)器人運動功能多樣，越障能力強，上下臺階方便；但結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，僅電機(jī)就有12個，運動控制困難，該機(jī)器入主要用于室內(nèi)環(huán)境執(zhí)行反恐、排爆任務(wù)。國內(nèi),中國礦業(yè)大學(xué)可靠性工程與救災(zāi)機(jī)器人研究所研制的CUMT - 1 型礦井搜救機(jī)器人,是我國第1 臺針對煤礦救援的機(jī)器人。該機(jī)器人裝備有低照度攝像機(jī)、氣體傳感器和溫度計等設(shè)備。能夠探測災(zāi)害環(huán)境,實時傳回災(zāi)區(qū)的瓦斯、一氧化碳、粉塵濃度和溫度,以及現(xiàn)場圖像等信息。煤礦救災(zāi)機(jī)器人技術(shù)總體來說尚未成熟,仍處于技術(shù)研究階段,明確機(jī)器人在煤礦救災(zāi)中的作用以及煤礦救災(zāi)對機(jī)器人的要求,有利于機(jī)器人技術(shù)的完善。 三、畢業(yè)設(shè)計（論文）所用的主要技術(shù)與方法： 1．全面收集資料，包括所有與搜救機(jī)器人相關(guān)的論文、書籍等，并進(jìn)行整理。 2．所用的方法是：類比設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)驗設(shè)計以及數(shù)據(jù)計算法等方法。 3. 對救機(jī)器人的外形、動力、結(jié)構(gòu)、工作原理等進(jìn)行分析和研究。 4. 在繪圖過程中運用AutoCAD繪圖和Pro/E等電腦繪圖方法。 四、主要參考文獻(xiàn)與資料獲得情況 [1] Gordon McComb主編. 機(jī)器人設(shè)計與實現(xiàn). 北京：科學(xué)出版社 2008 [2] 濮良貴 主編. 機(jī)械設(shè)計[第八版].北京：高等教育出版社，2006 [3] 徐元呂 主編. 工業(yè)機(jī)器人.北京：中國輕工業(yè)出版社，2006 [4] 李科杰．危險作業(yè)機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]．機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用2003(5)：14-22 [5] 李東曉. 機(jī)器人技術(shù)在煤礦自動化中的應(yīng)用 .煤炭科學(xué)技術(shù).2007 [6] 錢善華 王勇等. 機(jī)器人研究的現(xiàn)狀及煤礦搜救的應(yīng)用. 機(jī)器人，2006(5). [7] Roland Siegwart, et al. Innovative design for wheeled locomotion in rough terrain. Robotics and Autonomous Systems 40 (2002) 151–162. [8] Thanhtam Ho, Sunghac Choi, Sangyoon Lee. Development of a Biomimetic Quadruped Robot.Journal of Bionic Engineering 4 (2007) 193?199. 五、畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)度安排： 第5周-第6周（3月28日-4月10日）：進(jìn)行畢業(yè)實習(xí)。收集、整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)實習(xí)報告（30頁以上），翻譯與設(shè)計題目相關(guān)的英文資料。 第7周-第15周（4月11日-6月12日）：進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計。完成開題報告、中期檢查報告、畢業(yè)設(shè)計圖紙繪制折合0號圖紙3張，完成畢業(yè)設(shè)計說明書打印、裝訂，準(zhǔn)備答辯。 第16周（6月13日-6月20日）：進(jìn)行畢業(yè)答辯。修改、完善、整理、上交有關(guān)資料。 六、指導(dǎo)教師審批意見 指導(dǎo)教師： （簽名） 年 月 日 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文 摘 要 煤礦災(zāi)害尤其是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后,礦井環(huán)境十分復(fù)雜,井下因災(zāi)受傷人員面臨極其危險的狀況,需盡快地轉(zhuǎn)移與救護(hù)；而救援工作異常困難和危險,往往在救援工作中造成救護(hù)人員的傷亡。研發(fā)代替或部分代替救護(hù)人員及時、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進(jìn)行環(huán)境探測和搜救工作的救災(zāi)機(jī)器人具有極其重要的意義。 本論文研究工作的目的是設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎、具有獨創(chuàng)性的可攜帶、抗一定沖擊的履帶移動機(jī)器人，以能夠適應(yīng)在惡劣環(huán)境和復(fù)雜路況下工作。通過在移動系統(tǒng)上加載不同的模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)搜救機(jī)器人不同的使用功能，本研究意義在于為后續(xù)設(shè)計的搜救機(jī)器人提供一個基礎(chǔ)的動力平臺，以便于能夠開發(fā)出更多使用功能的搜救機(jī)器人。 本研究所設(shè)計的搜救機(jī)器人移動方案是履帶式驅(qū)動結(jié)構(gòu)。該方案采用模塊化設(shè)計，便于拆卸維修，可以分段自適應(yīng)復(fù)雜路面，并可主動控制兩側(cè)翼板模塊的轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)機(jī)器人姿態(tài)變化，輔助爬坡、越障和跨溝；機(jī)器人經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計后具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力、機(jī)動能力并能抵抗一定高度的掉落沖擊。所設(shè)計的機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)主要由四部分組成：主動輪減速驅(qū)動機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)路面執(zhí)行機(jī)構(gòu)、履帶及履帶輪運動機(jī)構(gòu)，本論文對上述各部分方案分別進(jìn)行論證、結(jié)構(gòu)設(shè)計計算、3D建模，并設(shè)計了搜救機(jī)器人虛擬樣機(jī)。 關(guān)鍵字：搜救機(jī)器人；復(fù)合移動機(jī)構(gòu)；模塊化設(shè)計； Abstract Coal mine disasters,especially gas and coal dust explosion, mine environment is very complex and wounded tolls mine face extremely dangerous conditions,be transferred as soon as possible and rescue.and rescue work extremely difficult and dangerous, often resulting in the rescue work in the ambulance casualties.R & D to replace or partially replace the ambulance personnel in a timely manner, quick in-depth environmental exploration and mine disaster relief robot search and rescue work is extremely important The purpose of this thesis is to design novel structure, its unique portable,shock intelligently tracked mobile robot, in order to be able to adapt to the harsh environment and the complicated road to work.Mobile systems loaded by different modules, search and rescue robots can be achieved using different functions, this study is important because other people's search and rescue robot designed to provide a basis for the dynamic platform to facilitate greater use of features can developsearch and rescue robots. This resoarch is moving search and rescue robot crawler.The program is modular in design, easy disassembly maintenance, can be complex adaptive sub-surface, active control can turn on both sides of flange module to adjust the robot pose changes, supporting climbing,obstacle and cross-channel.The design of the robot moving mechanism mainly consists of four components. Active wheel reducer drive mechanism, flange rotation institutions, adaptive road implementing agencies, sports organizations track and track wheels, part of the paper on the above programs were carried out feasibility studies, structural designcalculation, 3D modeling , and design a rescue robot prototype. Key words: search and rescue robots; composite mobile body; modular design iii 目 錄 前 言 1 1 緒 論 3 1.1 課題研究背景及意義 3 1.1.1 課題研究背景 3 1.1.2 課題研究意義 3 1.2 國內(nèi)外的研究概況 5 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 5 2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 10 1.2.3 發(fā)展趨勢 11 2 搜救機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 12 2.1 井下復(fù)雜環(huán)境對救災(zāi)機(jī)器人的要求 12 2.2 典型移動機(jī)構(gòu)方案論證分析 13 2.2.1 輪式移動機(jī)構(gòu)特點 13 2.2.2 腿式移動機(jī)構(gòu)特點 14 2.2.3 履帶式移動機(jī)構(gòu)特點 15 2.2.4 履、腿式移動機(jī)構(gòu)特點 16 2.2.5 輪、履、腿式移動機(jī)構(gòu)性能比較 17 2.3 本研究采用的行走機(jī)構(gòu) 17 2.4 救災(zāi)機(jī)器人性能指標(biāo)與設(shè)計 18 2.5 本章小結(jié) 19 3礦用搜救機(jī)器人運動參數(shù)設(shè)計計算 20 3.1機(jī)器人越障分析 20 3.1.1機(jī)器人跨越臺階 20 3.1.2跨越溝槽 21 3.2斜坡運動分析 22 3.3 本章小結(jié) 23 4機(jī)器人移動平臺機(jī)械設(shè)計 24 4.1驅(qū)動電機(jī)的選則 24 4.1.1基于平地的最大速度的電機(jī)功率計算 24 4.1.2爬坡最大坡度的驅(qū)動電機(jī)功率計算 25 4.2 本章小結(jié) 26 5 驅(qū)動輪減速器設(shè)計 27 5.1減速器方案分析 27 5.1.1減速器應(yīng)滿足的要求 27 5.1.2 減速器方案分析 27 5.2 減速器的設(shè)計計算 29 5.2.1減速器的傳動方案分析 29 5.2.2配齒計算 29 5.2.3初步計算齒輪的主要參數(shù) 30 5.2.4裝配條件的計算 34 5.2.5高速級齒輪強度的驗算 35 5.2.6 軸的設(shè)計及校核 44 5.3 本章小結(jié) 46 6移動機(jī)構(gòu)履帶及翼板部分設(shè)計 47 6.1履帶的選擇 47 6.1.1 確定帶的型號和節(jié)距 48 6.1.2確定主從動輪直徑 48 6.1.3確定節(jié)線長度和帶寬 49 6.2 翼板部分設(shè)計 51 6.3 本章小結(jié) 51 7機(jī)器人搖臂的設(shè)計 52 7.1 搖臂作用概述 52 7.2搖臂傳動減速器設(shè)計 53 7.3本章小結(jié) 55 8 總結(jié)與展望 56 致 謝 58 參考文獻(xiàn) 59 前 言 我國的煤炭資源十分豐富，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(jié)構(gòu)中的70%左右，預(yù)計到2050年還將占50%以上，因此，在未來相當(dāng)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(shù)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(zāi)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(yán)峻，目前我國煤礦事故死亡人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)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(zāi)害的可能，救護(hù)人員無法知道能否進(jìn)入或無法直接進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場執(zhí)行營救任務(wù)，上述事故中的傷亡人員有相當(dāng)一部分是救護(hù)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(hù)隊員在井下不慎滑倒，將呼吸機(jī)鼻夾摔脫落，導(dǎo)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(hù)隊接報后立即趕到現(xiàn)場救災(zāi)，在救火過程中，突發(fā)瓦斯爆炸，4名救護(hù)隊員殉職； 2006 年六枝工礦集團(tuán)公司救護(hù)大隊的救護(hù)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(hù)隊員死亡。 由此可見研發(fā)代替或部分代替救護(hù)人員的救災(zāi)機(jī)器人及時、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進(jìn)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(hù)人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)，進(jìn)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(zāi)區(qū)的通風(fēng)狀況的參數(shù)，還應(yīng)包括生命和圖像等信息，為救災(zāi)決策提供重要參考。 1 緒 論 1.1 課題研究背景及意義 1.1.1 課題研究背景 我國是世界上災(zāi)害、事故發(fā)生次數(shù)最多的國家之一，地震、火災(zāi)、塌方、以及各類人為事故，給人民生命財產(chǎn)安全造成極大的危害。災(zāi)害發(fā)生后，如何及時有效的發(fā)現(xiàn)被困幸存者并實施快速的救援是災(zāi)后應(yīng)急救援的頭等大事。 然而復(fù)雜危險的災(zāi)后環(huán)境常常會給救援工作帶來困難。危險物質(zhì)、大火、易燃易爆氣體、不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)等等危險因素的存在，時常威脅到救援隊員的生命安全，阻礙救援工作的快速展開。如何能夠在最少人員傷亡前提下快速高效地開展搜索救援工作一直是我們重點研究的問題。 本文提出的便攜式礦用救災(zāi)機(jī)器人是一種質(zhì)量輕，易于單個救援人員背負(fù)，具有多種運動姿態(tài)和抗摔能力，采用履帶方式行進(jìn)的微小型機(jī)器人系統(tǒng)。能夠適應(yīng)礦井惡劣的災(zāi)后環(huán)境，對非結(jié)構(gòu)的地形環(huán)境具有良好的自適應(yīng)能力，具備較好的越障能力和一定高度的抗摔能力。機(jī)器人可通過無線電信號進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并能夠加載各種偵測設(shè)備對未知環(huán)境進(jìn)行先期探測并回傳井巷環(huán)境信息，為及時有效的救災(zāi)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(jié)構(gòu)中的一半以上，在未來相當(dāng)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(shù)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(zāi)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(yán)峻，目前我國煤礦事故死亡人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yán)峻。 煤礦作為最復(fù)雜、最危險的工作環(huán)境之一，在發(fā)生安全事故之后，常常會因為井下復(fù)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(yán)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(zāi)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(zāi)害的可能，礦井環(huán)境十分復(fù)雜。救護(hù)人員無法知道能否進(jìn)入或無法直接進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場執(zhí)行營救任務(wù)，上述事故中的傷亡人員有相當(dāng)一部分是救護(hù)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(hù)隊員在井下不慎滑倒，將呼吸機(jī)鼻夾摔脫落，導(dǎo)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(hù)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(hù)隊員殉職； 2006 年六枝工礦集團(tuán)公司救護(hù)大隊的救護(hù)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(hù)隊員死亡。井下因災(zāi)受傷人員面臨極其危險的狀況，需盡快地轉(zhuǎn)移與救護(hù)；而救援工作異常困難和危險，往往在救援工作中造成救護(hù)人員的傷亡。 由此可見研發(fā)代替或部分代替救護(hù)人員的救災(zāi)機(jī)器人及時、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進(jìn)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(hù)人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)，進(jìn)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(zāi)區(qū)的通風(fēng)狀況的參數(shù)，還應(yīng)包括生命和圖像等信息，為救災(zāi)決策提供重要參考。 1.2 國內(nèi)外的研究概況 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 目前，在救災(zāi)機(jī)器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機(jī)器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機(jī)動、高可靠性移動載體研究方面。如美國移動機(jī)器人(TMR)計劃中的便攜式機(jī)器人系統(tǒng)(MPRS)．該類機(jī)器人主要用于城市戰(zhàn)斗與搜救。如美國智能系統(tǒng)和機(jī)器人中心開發(fā)的RATLER礦井探索機(jī)器人用于災(zāi)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(jī)、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(dá)大學(xué)研制的Simbot礦井搜索機(jī)器人,小巧靈活，攜帶數(shù)字低照度攝像機(jī)和基本氣體監(jiān)視組件，可以通過一個鉆出的小洞鉆進(jìn)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。 下圖為美國及其它國家在研的各種履帶式可變形機(jī)器人： 如圖1-1,1-2所示，這是美國iRobot的一種較小型“PackBot”機(jī)器人，現(xiàn)服役于美國軍隊，這個“PackBot”搭配了一個爆炸物感應(yīng)系統(tǒng)，有效地探測炸彈。目前這種測試系統(tǒng)還處于實驗階段?！癙ackBot”機(jī)器人還以進(jìn)行挖掘和拆彈工作。配備了稱為“explosive ordnance disposal”(eod)和工程師的全套工具，可以對土壤進(jìn)行挖掘，然后舉起相當(dāng)于自身重量2倍的炸彈。 圖1-2這種iRobot SUGV的機(jī)器人是一種小型地面探測車，重量僅為30磅。它帶有一個稱為“tactical head”的頭部，還有一個相機(jī)、一個紅外感應(yīng)器和一個可即時傳送影像的攝像頭。 圖1-1 RackBot準(zhǔn)備展開 圖1-2 SUGV機(jī)器人 Foster-miller公司研制了Talon機(jī)器人，該機(jī)器人采用履帶方式行進(jìn)，內(nèi)部裝備有兩臺普通直流電機(jī)，電機(jī)通過兩根鏈條帶動履帶輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機(jī)器人運動；另外機(jī)器人前后履帶輪中間安裝有一小型承重輪，該輪不僅能承載一部分負(fù)荷同時也能在機(jī)器人轉(zhuǎn)向時起到支撐作用，減少履帶與地面之間的摩擦，提高機(jī)器人轉(zhuǎn)向能力。Talon機(jī)器人可以完成各種偵察、巡邏工作。機(jī)器人外形參數(shù)尺寸為86.4cm×57.2cm×27.9 cm，重約39Kg，能潛水30.5m，爬45度斜坡。 圖1-3 Talon機(jī)器人 2003年，澳大利亞SIMTARS煤礦研究人員與美國機(jī)器人輔助救援中心(CRASAR)合作，開發(fā)了一個煤礦災(zāi)害搜救機(jī)器人，并在澳大利亞昆士蘭州的15米地下訓(xùn)練場進(jìn)行了試驗。這個機(jī)器人專門是為礦山災(zāi)害而研制。它的尺寸大小像一個蜂蜜罐子，它可以通過地面的鉆孔進(jìn)入煤礦井下然后爬過障礙物和泥漿，利用傳感器搜尋被困礦工，探測有毒或者可燃性氣體，還可以將地面供氣供水軟管拖到被困礦工身邊，給他們新鮮的空氣和水。這種機(jī)器人在通過鉆孔時像一條蛇一樣將自己擠過巖石，一旦到達(dá)井下地面，就會像一個小型坦克一樣行動，搜尋被困礦工。CRASAR希望能夠進(jìn)一步為該機(jī)器人添加新型的醫(yī)學(xué)傳感器，讓救援義務(wù)人員能夠通過觀看、交談、診斷的方式來了解被困礦工的健康狀況。 Inuktun公司推出的UGTV機(jī)器人具有獨特履帶可變形功能(如圖1-4所示)，可以輔助攀爬和擴(kuò)大機(jī)器人視野，曾在“911”事件的搜救任務(wù)中大顯身手；加拿大Sherbrook大學(xué)研制的AZIMUT機(jī)器人(如圖1-5所示)，該機(jī)器人采用輪、履、腿復(fù)合移動機(jī)構(gòu)，具有四個履腿模塊，每個履腿模塊與本體相連接時有3個自由度，機(jī)器人運動功能多樣，越障能力強，上下臺階方便；但結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，僅電機(jī)就有12個，運動控制困難，該機(jī)器入主要用于室內(nèi)環(huán)境執(zhí)行反恐、排爆任務(wù)。 圖1-4 UGTV機(jī)器人 圖1-5 AZIMUT機(jī)器人 僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機(jī)器人，現(xiàn)在2006年的新一代機(jī)器人已經(jīng)上市了，其結(jié)構(gòu)比以前的更加輕便，體積更小。這款機(jī)器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機(jī)器人一樣的功能。 這款機(jī)器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)從而有了一些與大型機(jī)器人類似的功能，所以它小得以至于可以在地鐵車廂或者飛行工具里操作，同時又足夠大得可以直接處理一些在所有現(xiàn)行飛機(jī)的頭頂貯藏室里的可疑項目處理。 圖1-6 telemax 這款產(chǎn)品具有很大的創(chuàng)新價值，經(jīng)過數(shù)十年經(jīng)驗的累計取得了變結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的重大發(fā)展。 圖1-7 telemax行走姿勢 它的機(jī)械結(jié)構(gòu)由4個獨立履帶齒輪驅(qū)動技術(shù)提供了非凡的移動力，它可以爬坡45度，并且可以越障500mm的高度，它做的比其它很多類似機(jī)器人都好，它的可伸展的上臂加上一個高度可調(diào)的地盤，給予了這款機(jī)器人一個可達(dá)到的非凡的垂直高度2350mm。它的鉗子可以吊起重達(dá)5Kg的貨物，這就意味著它可以裝配彈道系統(tǒng)和其它工具。 圖1-8 telemax防爆機(jī)器人 2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國的搜救機(jī)器人技術(shù)起步較晚，但是近年來引起了越來越多的關(guān)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(xué)、國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣東富衛(wèi)公司等機(jī)構(gòu)都設(shè)計了自己的搜救機(jī)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(jī)器人技術(shù)研究中心，在沈陽揭牌成立，這標(biāo)志著我國的搜救機(jī)器人研究進(jìn)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(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所研制的國內(nèi)首臺煤礦搜救機(jī)器人(樣機(jī))在徐州誕生（如圖1-9所示）。這臺煤礦搜救機(jī)器人采用自主避障和遙控引導(dǎo)相結(jié)合的行走控制方式，能在煤礦災(zāi)害發(fā)生后深入事故現(xiàn)場，探測火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛?、?zāi)害場景、呼救聲訊等信息，并實時回傳采集到的信息和圖像，為救災(zāi)指揮人員提供重要的災(zāi)害信息。同時，機(jī)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。 圖1-9CUMT-1型礦井搜救機(jī)器人 1.2.3 發(fā)展趨勢 救災(zāi)機(jī)器人是智能化機(jī)器人在煤礦領(lǐng)域的全新應(yīng)用，盡管某些關(guān)鍵技術(shù)仍需要進(jìn)一步研究，但救災(zāi)機(jī)器人具有高度的實用價值和廣泛的應(yīng)用前景。隨著計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖像信息處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能機(jī)器人的研究已取得了豐碩的研究成果。但是，由于礦井救災(zāi)機(jī)器人特殊的工作環(huán)境和工作要求的不斷提高，礦井救災(zāi)機(jī)器人技術(shù)方面還需要有所突破： (1) 機(jī)械性能方面， 能夠適應(yīng)礦井惡劣的災(zāi)后環(huán)境，對非結(jié)構(gòu)的地形環(huán)境具有良好的自適應(yīng)能力，具備較好的越障能力。 (2) 新技術(shù)和新材料的研發(fā)，礦井災(zāi)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(dǎo)航性能、信息采集能力仍是今后礦井救災(zāi)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的主要發(fā)展方向。 (4) 由于礦井中救災(zāi)機(jī)器人單一的傳感器無法滿足高精度定位需要，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(shù)也就自然成為發(fā)展趨勢。 (5) 多機(jī)器人系統(tǒng)是礦井救災(zāi)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。 (6) 采用標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化技術(shù)。 機(jī)器人裝備有通信系統(tǒng)，在與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換時，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可使機(jī)器人更具備操控性，同時機(jī)器人通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性、兼容性也更好。 2 搜救機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 2.1 井下復(fù)雜環(huán)境對救災(zāi)機(jī)器人的要求 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(jī)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(zhǔn)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(fù)雜，環(huán)境惡劣。巷道路面多積水，有礦車鐵軌、水溝、風(fēng)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(zāi)害發(fā)生后，脫落的頂板、巖石、煤塊等形成新的障礙物。復(fù)雜的路況要求井下機(jī)器人要有較強的越障、避障能力和行駛功能恢復(fù)能力。 （2） 井下氣候災(zāi)害后，井下通風(fēng)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(zāi)變區(qū)域的溫度、濕度增加，風(fēng)量減少。所以二次瓦斯爆炸的危險也常常是影響救護(hù)隊員及時下井救護(hù)的一個主要因素。為了在高瓦斯下安全工作，搜救機(jī)器人需要進(jìn)行礦用隔爆兼本安型設(shè)計；元件在井下溫度變化范圍內(nèi)應(yīng)能可靠地工作；為了防止煤塵和積水進(jìn)入車體內(nèi)部和運動副，廂體要進(jìn)行密封、防水設(shè)計。 （3） 光照與煙霧井下無自然光，機(jī)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(shè)計的搜救機(jī)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?qū)崿F(xiàn)較大弧度的轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)方案論證分析 便攜式機(jī)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(jìn)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(jī)構(gòu)特點 輪式移動機(jī)構(gòu)在救災(zāi)機(jī)器人中是最為普通的運動方式，輪式機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡單、運動速度快、能源利用率高的、機(jī)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(qū)動。與履帶式移動機(jī)器人相比，當(dāng)跨越不平坦地形時，輪式機(jī)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(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對于進(jìn)入復(fù)雜的環(huán)境完成既定任務(wù)存在嚴(yán)重的困難。輪式移動機(jī)構(gòu)按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結(jié)構(gòu)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(yù)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(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)特點 腿足式移動機(jī)構(gòu)分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移動機(jī)構(gòu)優(yōu)點有： (1)腿式機(jī)器人的地形適應(yīng)能力強。腿式機(jī)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(jī)器人平穩(wěn)運動；而輪式和履帶式機(jī)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(jìn)而限制了該類機(jī)器人活動范圍。 (2)腿式機(jī)器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調(diào)節(jié)腿的長度可以控制機(jī)器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高； (3)腿式機(jī)器人的身體與地面分離，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)缺點有： (1) 該類機(jī)器人的移動速度慢，機(jī)動性較差．因此機(jī)器人的負(fù)載不能太重； (2) 腿式機(jī)器入對地面適應(yīng)性和運動靈活性需要進(jìn)一步提高； (3) 腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善； (4) 該機(jī)構(gòu)未進(jìn)入實用化階段。 圖2-2八腿機(jī)器人 2.2.3 履帶式移動機(jī)構(gòu)特點 履帶式移動機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)與地面較大的接觸面積，因此在較大的區(qū)域內(nèi)分布機(jī)器人的重量，較大的接觸區(qū)域使機(jī)器人具有較好的驅(qū)動牽引力，機(jī)動性能好、越野性能強，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機(jī)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(jī)構(gòu)比較輪式移動機(jī)構(gòu)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(jī)動往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)； (3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好； (4)結(jié)構(gòu)較復(fù)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(jī)構(gòu)的簡圖 圖2-3 履帶式移動裝置示意圖 2.2.4 履、腿式移動機(jī)構(gòu)特點 履腿復(fù)合移動機(jī)構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機(jī)構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)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(jī)構(gòu)無法與其比擬，適合作為機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機(jī)構(gòu)往往是兩條履帶與車身相對固定，很大程度上限制了機(jī)器人地形適應(yīng)能力(此時機(jī)器人履帶高度和長度直接決定了機(jī)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(guān)節(jié)履帶機(jī)構(gòu)，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動，這樣能大大提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機(jī)構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動控制困難等。 2.2.5 輪、履、腿式移動機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)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(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜 能耗量 小 較小 大 控制難易 易 一般 復(fù)雜 2.3 本研究采用的行走機(jī)構(gòu) 本文提出來的便攜式履帶機(jī)器人移動系統(tǒng)采用的是履、腿(輪)復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點在于在傳統(tǒng)履帶移動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，加強了機(jī)器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應(yīng)能力。 機(jī)器人能根據(jù)地形條件的復(fù)雜程度，通過主動調(diào)節(jié)兩側(cè)履帶與車身約束關(guān)系來選擇自適應(yīng)環(huán)境或者是主動適應(yīng)環(huán)境。自適應(yīng)環(huán)境可以提高機(jī)器人運動穩(wěn)定性能、平順性能；主動適應(yīng)環(huán)境可以提高機(jī)器人通過性能，機(jī)器人設(shè)計方案如下圖2-4所示。 圖 2-4 便攜式履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成 1. 后輪驅(qū)動電機(jī)及組件 2.擺臂電機(jī)及組件 3.主履帶 4.擺臂履帶 5.齒輪 2.4 救災(zāi)機(jī)器人性能指標(biāo)與設(shè)計 由于煤礦井下環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性煤礦井下搜救機(jī)器人的總體設(shè)計須滿足適合井下復(fù)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(jī)器人家族中，履帶機(jī)器人具有很強的地形適應(yīng)性，能夠適應(yīng)惡劣的路面條件，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但普通的履帶移動移動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)構(gòu)的缺點，給煤礦井下搜救機(jī)器人履帶式移動機(jī)構(gòu)加裝前擺。機(jī)器人加裝前擺臂的優(yōu)點：機(jī)器人重心將前移，實現(xiàn)機(jī)器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實現(xiàn)機(jī)器人傾翻后自復(fù)位。為提高其地形適應(yīng)性，前擺臂兩個擺臂關(guān)節(jié)單獨控制和單獨驅(qū)動。 總體設(shè)計方案如圖2-4所示。采用后輪驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，可實現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向。擺臂電動機(jī)驅(qū)動擺臂可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，提高機(jī)器人跨越溝槽和爬越臺階的越障的能力和翻轉(zhuǎn)后自復(fù)位的功能。 根據(jù)井下環(huán)境對機(jī)器人的要求，主要設(shè)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(zhì)量為50kg,擺臂質(zhì)量不超過5kg,機(jī)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： 圖2-5 2.5 本章小結(jié) 本章重點介紹了國內(nèi)外履帶機(jī)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(jī)構(gòu)復(fù)雜程度、控制難易程度等幾方面進(jìn)行了比較和分析，就研制的礦用履帶搜救機(jī)器人應(yīng)達(dá)到的性能指標(biāo)提出了具體要求。 3礦用搜救機(jī)器人運動參數(shù)設(shè)計計算 3.1機(jī)器人越障分析 3.1.1機(jī)器人跨越臺階 （1）越障機(jī)理分析 當(dāng)機(jī)器人在爬越臺階時，機(jī)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(jī)器人就跨過了臺階完成爬越動作。 （2）越障過程分析 煤礦井下搜救機(jī)器人爬越臺階的過程如圖3-1所示，機(jī)器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機(jī)構(gòu)的驅(qū)使下，使其主履帶前端搭靠在臺階的支撐點上，機(jī)器人繼續(xù)移動，驅(qū)動擺臂逆時針擺動，當(dāng)機(jī)器人重心越過臺階邊緣時，旋轉(zhuǎn)擺臂關(guān)節(jié)，機(jī)器人在自身重力影響下，車體下移，機(jī)器人成功地爬越臺階。 圖3-1機(jī)器人爬越臺階過程 由運動過程可以看出，機(jī)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(jī)器人重心只有越過臺階邊緣，機(jī)器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機(jī)器人的最大越障高度。 圖3-2機(jī)器人上臺階臨界狀態(tài)示意圖 由圖3-2所示幾何關(guān)系可得： （1） 變換式（1）可得： （2） （3） 利用式（3）求出，代入式（2）可算出機(jī)器人跨越障礙的最大高度。 3.1.2跨越溝槽 （1）越障機(jī)理分析 對于小于機(jī)器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機(jī)器人重心在機(jī)器人車體內(nèi)，當(dāng)機(jī)器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機(jī)器人就越過了溝槽，完成了跨越動作。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當(dāng)溝槽大于中心距時，履帶式機(jī)器人可以看做爬越凸臺障礙。 （2）越障分析 履帶式移動機(jī)器人跨越溝槽時，機(jī)器人重心不斷向前移動，當(dāng)重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機(jī)器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機(jī)器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機(jī)器人重心在以r為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機(jī)器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)。 圖3-3跨越溝槽示意圖 機(jī)器人在平地圖3-3（a）跨越溝槽的寬度： （4） 在角度為的斜坡圖3-3(b)上跨越溝槽的寬度： （5） 3.2斜坡運動分析 機(jī)器人在斜坡上運動時，起受力情況如圖3-4所示，機(jī)器人勻速行駛或靜止時，其驅(qū)動力： （6） 圖3-4機(jī)器人上坡受力示意圖 最大靜摩擦力系數(shù)為，最大靜摩擦力為：（7） 當(dāng)時，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。 當(dāng)時，機(jī)器人受重力的影響將沿斜面下滑。 已知煤礦井下機(jī)器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù)，則機(jī)器人爬越的最大坡度為: （8） 爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為： （9） 通過上述分析，可以根據(jù)機(jī)器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機(jī)的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。 3.3 本章小結(jié) 本章重點圍繞礦用履帶搜救機(jī)器人的爬坡性能、越障性能、跨溝性能三方面，對機(jī)器人移動原理進(jìn)行理論分析，運動過程進(jìn)行數(shù)值計算，驗證了該機(jī)器人在惡劣環(huán)境下具有優(yōu)良機(jī)動能力。 機(jī)器人的爬坡角度最大為；垂直越障高度最大為300mm：最大跨溝寬度為500mm。 4機(jī)器人移動平臺機(jī)械設(shè)計 4.1驅(qū)動電機(jī)的選則 4.1.1基于平地的最大速度的電機(jī)功率計算 假設(shè)機(jī)器人以最大速度勻速前進(jìn)，輪子作瞬時純滾動，前進(jìn)時不考慮空氣阻力的影響。如下圖所示： 平地直線運動受力圖 根據(jù)理論力學(xué)平面交匯力系平衡條件和合力矩定理： 則，移動機(jī)器人平地直線運動的平衡方程為： 則， 可以得出，機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)經(jīng)減速器后在最大速度下需要提供的極限扭矩為11.76Nm。 在最大的行駛速度下，驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為： 4.1.2爬坡最大坡度的驅(qū)動電機(jī)功率計算 相對于平地行駛過程，爬坡能力對于機(jī)器人的驅(qū)動能力是一個重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，所以在進(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計時，爬坡指標(biāo)的計算也應(yīng)作為選擇電機(jī)的必須依據(jù)。 假設(shè)移動機(jī)器人在最大指標(biāo)上勻速行駛，速度為0.1。在行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響。機(jī)器人爬坡受力情況如圖： 機(jī)器人爬坡受力圖 爬坡的平衡方程為： 解之得：M=43.12Nm,可以得出機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)經(jīng)減速器減速后在最大坡度下爬坡需要提供的極限扭矩為21.56Nm. 在0.1的速度爬坡時，驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速器后所需提供的轉(zhuǎn)速為：n==11.94 4.2 本章小結(jié) 由以上分析可知，機(jī)器人平地直線運動時要求的驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時的要求的驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩較大。因此在選電機(jī)型時，應(yīng)根據(jù)平地直線運動要求轉(zhuǎn)速和爬坡要求扭矩進(jìn)行選擇。 根據(jù)最大爬坡要求，初步確定驅(qū)動電機(jī)經(jīng)減速器后的功率為：=53.8W 則所需電機(jī)的輸出功率為：=88.19W 則可選擇如下表4-1電機(jī)： 表4-1電動機(jī)性能參數(shù) 產(chǎn)品型號 電壓 額定電流 轉(zhuǎn)速 輸出功率 效率 Maxon--Ec45 24V 6.5A 1800r/min 150W 79% 5 驅(qū)動輪減速器設(shè)計 移動減速傳動機(jī)構(gòu)是完成機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等各種運動的關(guān)鍵部件，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換，將動力機(jī)的轉(zhuǎn)速減低到所需的轉(zhuǎn)速，同時扭矩達(dá)增大到所需的扭矩。本機(jī)構(gòu)采用二級減速器，電動機(jī)通過減速器的實現(xiàn)減速、增大轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)安裝在減速器前端，通過錐齒輪改變軸的方向，輸出履帶驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，為復(fù)雜狀況下救災(zāi)機(jī)器人提供主要動力。 5.1減速器方案分析 5.1.1減速器應(yīng)滿足的要求 （1）目前大部分的煤礦都處于深井開采，深度大都為數(shù)百米，甚至上千米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)深于恒溫帶的深度，隨著深度的增加，地溫逐漸升高，造成地下溫度很高。減速器必須滿足在高溫下工作要求； （2）我國開采的礦井，大部分都為高瓦斯礦井，井內(nèi)充滿了濃厚的瓦斯。減速器應(yīng)有隔爆防爆的作用； （3）搜救機(jī)器人的行駛路況復(fù)雜，在行駛過程的啟動、停止、前進(jìn)與后退換向頻繁。其載重較大，要有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，啟動平穩(wěn)，換向靈敏； （4）搜救機(jī)器人遙控操作，電動機(jī)用蓄電池提供能源。體積要小，重量要輕。 5.1.2 減速器方案分析 減速器的種類很多，按照傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星減速器以及它們互相組合起來的減速器；按照傳動級數(shù)可分為單級和多級減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐---圓柱齒輪減速器；按照傳動的布置形式由可以分為展開式、分流式和同軸式減速器。 （1） 展開式齒輪減速器結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪相對于軸承的位置不對稱，因此要求軸有較大的剛度。高速級齒輪布置在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)矩輸入端，這樣，軸在轉(zhuǎn)矩的作用下產(chǎn)生的扭矩變形和在載荷作用下軸產(chǎn)生的彎曲變形可部分的互相抵消，以減緩沿齒寬載荷分布不均勻的現(xiàn)象。用于載荷比較平衡的場合。 （2） 同軸式齒輪減速器橫向尺寸較小，兩對齒輪侵入油中深度大致相同。但軸向尺寸和重量較大，且中間軸較長、剛度差，沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難以充分利用，適合小型、微型機(jī)械適用。 （3） 蝸輪蝸桿減速機(jī)的主要特點是具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。但是一般體積較大，傳動效率不高，精度不高。 （4） 行星減速器其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長，額定輸出扭矩可以做的很大，但價格略貴。另外行星減速箱，有平齒和斜齒2種，精度和價格都有不同。 （5） 諧波減速器的諧波傳動是利用柔性元件可控的彈性變形來傳遞運動和動力的，體積不大、精度很高，但缺點是柔輪壽命有限、不耐沖擊，剛性與金屬件相比較差，輸入轉(zhuǎn)速不能太高，價格較高。 根據(jù)復(fù)雜路況下搜救機(jī)器人的行駛速度及各項工作要求，綜合各種減速器的特點，本設(shè)計采用二級減速傳動，依傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，又根據(jù)減速箱空間的限制采用二級行星齒輪減速器。 5.2 減速器的設(shè)計計算 5.2.1減速器的傳動方案分析 根據(jù)上述設(shè)計要求可知，該行星輪減速器傳遞功率高，傳動比較大，工作環(huán)境惡劣等特點。故采用雙級行星齒輪傳動。2K-H型結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，適用于任何情況下的大小功率的傳動。選用由兩個2X-A型行星齒輪傳動串聯(lián)而成的雙級行星齒輪減速器較為合理，名義傳動比可分為進(jìn)行傳動。 5.2.2配齒計算 根據(jù)2K-H型行星齒輪傳動比的值和按其配齒計算公式，可按第一級傳動的內(nèi)齒，行星齒輪的齒數(shù)。先考慮到該行星齒輪傳動的外廓尺寸，故選取第一級中心齒輪數(shù)為23和行星齒輪數(shù)為。根據(jù)內(nèi)齒輪，則。 對內(nèi)齒輪齒數(shù)進(jìn)行圓整后，此時實際的P值與給定的P值稍有變化，但是必須控制在其傳動比誤差范圍內(nèi)。實際傳動比為: 6 其傳動比誤差 根據(jù)同心條件可得行星輪的齒數(shù)為 所求的適用于非變位或高度變位的行星齒輪傳動。再考慮到安裝條件為： （整數(shù)） 第二級傳動比為6，選擇中心齒數(shù)和行星齒輪數(shù)目與第一級相同，則。 5.2.3初步計算齒輪的主要參數(shù) 齒輪材料和熱處理的選擇：中心齒輪和中心齒輪，以及行星齒輪和均采用20CrMnTi,滲碳后淬火，淬透性不錯，耐低溫沖擊，能夠滿足要求。齒面硬度為58-62HRC,查《行星齒輪傳動設(shè)計》可知，取，，中心齒輪加工精度為6級，高速級與低速級的內(nèi)齒輪均采用42CrMo,這種材料經(jīng)過正火和調(diào)質(zhì)處理，以獲得相當(dāng)?shù)膹姸群陀捕鹊攘W(xué)性能，調(diào)質(zhì)硬度為217-259HRC，取，，輪和的加工精度為7級。 高速齒輪的模數(shù)m 按彎曲強度的初算公式，為 現(xiàn)已知。中心齒輪的名義轉(zhuǎn)矩為Nm,取算式系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計使用手冊》系數(shù)，查得；取接觸強度計算的行星齒輪間載荷分布不均勻系數(shù)，由公式可得,查得齒形系數(shù),齒寬系數(shù)，則所得的模數(shù)m為： 取齒輪模數(shù)為=0.4mm 低速級得齒輪模數(shù)m 取彎曲強度的初算公式，計算低速級的齒輪的模數(shù)m為，現(xiàn)已知，，中心齒輪的名義轉(zhuǎn)矩，取算式系數(shù)，使用系數(shù)，綜合系數(shù)，取接觸強度計算的行星齒輪間載荷分布不均勻系數(shù)，由公式可得，查表得齒形系數(shù)，齒寬系數(shù)，則所得的模數(shù)m為： mm 取齒輪模數(shù)為mm 嚙合參數(shù)計算: 高速級 在兩個嚙合齒輪副中-，中，其標(biāo)準(zhǔn)中心距a為 13.8mm mm 低速級：在兩個嚙合齒輪副中中，其標(biāo)準(zhǔn)中心距a為 mm mm 由此可見，高速級和低速級得標(biāo)準(zhǔn)中心距均相等。因此次行星齒輪傳動滿足非變位的同心條件，但是在行星輪傳動中，采用高度可以避免跟切，減少機(jī)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量，還可以改善齒輪副的磨損情況以及提高承載能力。 幾何尺寸的計算 高速級：分度圓直徑d 基圓直徑 齒頂圓直徑 齒頂高：外嚙合 內(nèi)嚙合 齒根圓直徑 齒根高 高速級 太陽輪 行星輪 內(nèi)齒圈 模數(shù)m 0.4 0.4 0.4 齒數(shù)z 23 46 115 分度圓直徑d 9.2 18.4 46 齒頂圓直徑 10.4 19.2 45.28 齒根圓直徑 8.6 17.4 47 低速級：分度圓直徑d 基圓直徑 齒頂圓直徑 齒頂高：外嚙合 內(nèi)嚙合 齒根圓直徑 齒根高 低速級 太陽輪 行星輪 內(nèi)齒圈 模數(shù)m 0.6 0.6 0.6 齒數(shù)z 23 46 115 分度圓直徑d 13.8 27.6 69 齒頂圓直徑 15 28.8 68.28 齒根圓直徑 12.3 26.1 70.5 5.2.4裝配條件的計算 對設(shè)計的齒輪副應(yīng)滿足以下條件的計算： 1. 鄰接條件 在行星輪傳動中，為保證兩相鄰行星輪的齒頂不致相碰，相鄰兩行星輪的中心距應(yīng)大于兩齒頂圓半徑之和，由公式驗算其鄰接條件 （為行星輪的直徑，a為中心距）高速級：18.4＜2×13.8×0.865=23.87 低速級：27.6＜2×20.7×0.865=35.81故滿足鄰接條件。 2.同心條件 按公式對于高度變位有，已知高速級，滿足公式則滿足同心條件。低速級與高速級齒數(shù)相同，故滿足條件。 3.安裝條件 按公式驗算安裝條件，即得 (C為整數(shù)) 即都滿足裝配條件。 5.2.5高速級齒輪強度的驗算 由于該行星輪傳動具有長期有效間斷工作的特點，具有結(jié)構(gòu)緊湊，外輪廓尺寸較小的特點，因此應(yīng)按齒面接觸強度和齒根彎曲強度驗算。 齒面接觸疲勞強度的校核由公式可驗算： 式中 —區(qū)域系數(shù)； __彈性影響系數(shù)； —螺旋角系數(shù)，直齒輪為1； —重合度系數(shù)； -齒寬，齒輪副中的較小齒寬； —小齒輪分度圓直徑； —許用應(yīng)力； U—齒數(shù)比； 齒輪副中： 許用接觸應(yīng)力的計算： 由機(jī)械零件查得； 選取安全系數(shù) 故 又查得； 由于螺旋角，由機(jī)械零件得; 直齒輪螺旋角系數(shù)； 重合度系數(shù)；；齒寬b=3; 故161MPa<。 故滿足強度要求。 齒輪副中： 許用接觸應(yīng)力的計算： 由機(jī)械零件查得； 選取安全系數(shù) 故 又查得； 由于螺旋角，由機(jī)械零件得; 直齒輪螺旋角系數(shù)； 重合度系數(shù)；5；齒寬b=4; 故310MPa<。 故滿足強度要求。 齒根彎曲疲勞強度的校核由公式可驗算： 式中 齒根危險截面的彎曲應(yīng)力； 載荷系數(shù)； 齒形系數(shù)； 應(yīng)力校正系數(shù)。 齒輪副： 計算載荷系數(shù)K： 式中 K-載荷系數(shù)； -使用系數(shù)； -動載系數(shù)； -齒間載荷分配系數(shù)； -齒間載荷分布系數(shù)。 由《機(jī)械零件》可查得取=1; 根據(jù)V=1.2，可得; 查《機(jī)械零件》可得,，故。 由《機(jī)械零件》得齒形系數(shù)：，得齒形修正系數(shù)； 許用應(yīng)力的計算： 由《機(jī)械零件》得，,安全系數(shù)s=1.25,故。 因此彎曲疲勞強度： 109M, 132Mpa< 故彎曲疲勞強度足夠。 齒輪副： 計算載荷系數(shù)K： 由《機(jī)械零件》查得,根據(jù)v=0.58，對稱支撐； 由《機(jī)械零件》取得,故。查得齒形系數(shù); 應(yīng)力系數(shù)； 許用應(yīng)力的計算： 由《機(jī)械零件》得； 由《機(jī)械零件》得 由《機(jī)械零件》取彎曲疲勞強度安全系數(shù)S=1.25； ； 因此彎曲疲勞強度 129Mpa< 所以彎曲疲勞強度足夠。 低速級齒輪強度的驗算 由于該行星輪傳動具有長期有效間斷工作的特點，具有結(jié)構(gòu)緊湊，外輪廓尺寸較小的特點，因此應(yīng)按齒面接觸強度和齒根彎曲強度驗算。 齒面接觸疲勞強度的校核由公式可驗算： 式中 —區(qū)域系數(shù)； __彈性影響系數(shù)； —螺旋角系數(shù)，直齒輪為1； —重合度系數(shù)； -齒寬，齒輪副中的較小齒寬； —小齒輪分度圓直徑； —許用應(yīng)力； U—齒數(shù)比； 齒輪副中： 許用接觸應(yīng)力的計算： 由機(jī)械零件查得； 選取安全系數(shù) 故 又查得； 由于螺旋角，由機(jī)械零件得; 直齒輪螺旋角系數(shù)； 重合度系數(shù)；；齒寬b=4.3; 故183MPa<。 故滿足強度要求。 齒輪副中： 許用接觸應(yīng)力的計算： 由機(jī)械零件查得； 選取安全系數(shù) 故 又查得； 由于螺旋角，由機(jī)械零件得; 直齒輪螺旋角系數(shù)； 重合度系數(shù)；5；齒寬b=5.5; 故352MPa<。 故滿足強度要求。 齒根彎曲疲勞強度的校核由公式可驗算： 式中 齒根危險截面的彎曲應(yīng)力； 載荷系數(shù)； 齒形系數(shù)； 應(yīng)力校正系數(shù)。 齒輪副： 計算載荷系數(shù)K： 式中 K-載荷系數(shù)； -使用系數(shù)； -動載系數(shù)； -齒間載荷分配系數(shù)； -齒間載荷分布系數(shù)。 由《機(jī)械零件》可查得取=1; 根據(jù)V=1.2，可得; 查《機(jī)械零件》可得,，故。 由《機(jī)械零件》得齒形系數(shù)：，得齒形修正系數(shù)； 許用應(yīng)力的計算： 由《機(jī)械零件》得，,安全系數(shù)s=1.25,故。 因此彎曲疲勞強度： 127M, 143Mpa< 故彎曲疲勞強度足夠。 齒輪副： 計算載荷系數(shù)K： 由《機(jī)