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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院
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)械與動力工程系 教研室（研究室）： 系部辦公樓319
題 目
四履帶搜救機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計—擺臂設(shè)計
學(xué)生姓名
梅倩倩
專業(yè)班級
08機(jī)設(shè)2班
學(xué)號
0828070181
一、選題質(zhì)量：
1.本題目符合機(jī)械設(shè)計專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，能夠充分鍛煉和培養(yǎng)分析問題和實(shí)際操作能
力，能夠體現(xiàn)綜合訓(xùn)練的要求
2.設(shè)計任務(wù)難易程度和工作量適中，符合本科畢業(yè)設(shè)計要求，能在規(guī)定的時間內(nèi)完成。
3.所選題目較為新穎，故所收集的資料較少，工作量較大。
4.所選題目與實(shí)際貼合比較緊密，在實(shí)際的救援中也很重要。在設(shè)計過程中，對機(jī)
器人各個結(jié)構(gòu)和零件的設(shè)計、計算對我來說，是對以往所學(xué)知識的總結(jié)和應(yīng)用，所以
能夠滿足綜合訓(xùn)練的要求。但是在設(shè)計過程中，對于我來說還是具有很大的難度，對
于這方面的涉足也并不是很多，并且且這方面的資料也是比較少，所以這對我來說也
是一個挑戰(zhàn)。
二、開題報告完成情況：
根據(jù)自己在各方面資料的收集和整理，通過對可行性的分析，結(jié)合老師給的題目
的選擇，我完成了這次設(shè)計的選題。
在選題結(jié)束之后，通過自己認(rèn)真查閱相關(guān)的資料，最后結(jié)合本身的實(shí)際情況和設(shè)
計的時間任務(wù)完成了開題報告。
經(jīng)過指導(dǎo)老師同意，完成開題報告，同意開題。
三、階段性成果：
1.通過對搜救機(jī)器人的了解，再加上指導(dǎo)老師對我們的講解，算是對其有了一個大概的了解。前期階段主要是對有關(guān)于搜救機(jī)器人的各方面的文獻(xiàn)和資料進(jìn)行搜集，為以后的設(shè)計做了必要的準(zhǔn)備。
2.中期階段主要是依據(jù)參考資料，從上面找到一些關(guān)于關(guān)于搜救機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息，首先對其結(jié)構(gòu)有了大致的了解，其次是已有了大概的設(shè)計方法，并開始了一些基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
3.正在進(jìn)行裝配圖的Proe畫圖和進(jìn)行設(shè)計說明書的部分工作。
4.我正在負(fù)責(zé)的是擺臂部分的設(shè)計，包括擺臂的固定，結(jié)構(gòu)設(shè)計，和減速器的設(shè)計。
四、存在主要問題：
1、這次設(shè)計對我來說是個比較大挑戰(zhàn)，和同學(xué)的配合剛開始有很多不恰當(dāng)?shù)牡胤?，但隨著設(shè)計的進(jìn)行和不斷的討論磨合，也逐漸克服了這一問題。
2、搜救機(jī)器人設(shè)計對我是個新題，并且在搜索資料方面發(fā)現(xiàn)，關(guān)于搜救機(jī)器人的資料也并不是很多。
3、設(shè)計過程中關(guān)于自己所設(shè)計的方面不是太明確，經(jīng)過和同組同學(xué)的商量明確了自己
的任務(wù)。
4.由于資料過于稀少，沒有可參考的材料，在計算數(shù)據(jù)、校核、選材方面還有很大的
不明之處。
五、指導(dǎo)教師對學(xué)生在畢業(yè)實(shí)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
3
河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
本論文研究工作的目的是設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎、具有獨(dú)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)上加載不同的探測傳感設(shè)備，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，可以適應(yīng)不同情況的復(fù)雜路面，并可主動控制兩側(cè)肋板的轉(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。本論文所設(shè)計主的機(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)、肋板轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、擺臂減速器機(jī)構(gòu)、履帶及履帶輪運(yùn)動機(jī)構(gòu)。
關(guān)鍵字：搜救機(jī)器人；擺臂，履帶式 減速器
Abstract
The purpose of this thesis is to design novel structure, its unique portable,shoc-k 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 mo-ules, search and rescue robots can be achieved using different functions, this studyis 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 developsear-ch 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.
Key words: search and rescue robots; swing arm;crawler;
Retarder;
62
目錄
前 言................................................3
1 緒 論..............................................7
1.1課題研究背景及意義...............................7
1.1.1 課題研究背景..............................7
1.1.2 課題研究意義..............................8
1.2國內(nèi)外的研究概況.................................9
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀..............................9
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀.............................14
1.2.3 搜救機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展方向.................17
2 搜救機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)分析...........................21
2.1井下復(fù)雜環(huán)境對搜救機(jī)器人的要求..................21
2.2移動機(jī)構(gòu)方案論證分析............................22
2.2.1 輪式移動機(jī)構(gòu)特點(diǎn).........................22
2.2.2 腿式移動機(jī)構(gòu)特點(diǎn).........................23
2.2.3 履帶式移動機(jī)構(gòu)特點(diǎn).......................24
2.2.4 履、腿式移動機(jī)構(gòu)特點(diǎn).....................25
2.2.5 輪、履、腿式移動機(jī)構(gòu)性能比較.............26
2.3 本研究采用的行走機(jī)構(gòu)...........................26
2.4 救災(zāi)機(jī)器人性能指標(biāo)與設(shè)計.......................27
2.5 本章小結(jié).......................................28
3 搜救機(jī)器人運(yùn)動參數(shù)設(shè)分析計算.......................29
3.1 機(jī)器人越障分析.................................29
3.1.1 機(jī)器人跨越臺階...........................30
3.1.2 機(jī)器人刮越溝壑...........................32
3.2 斜坡運(yùn)動分析...................................33
3.3 本章小結(jié).......................................34
4 擺臂減速去設(shè)計.....................................35
4.1 擺臂電機(jī)選擇...................................35
4.2 擺臂減速器設(shè)計.................................35
4.2.1 減速器方案對比分析...................... 35
4.2.2 減速器應(yīng)滿足要求.........................37
4.3 擺臂減速器設(shè)計計算.............................37
4.3.1 擺臂減速器的參數(shù)計算.....................37
4.3.2 擺臂減速器的齒輪計算.....................39
4.3.3 軸的設(shè)計.................................43
4.4 本章小結(jié).......................................47
5 履帶的設(shè)計計算.....................................49
5.1 帶的選擇.......................................49
5.2 計算帶的型號和節(jié)距.............................50
5.3 計算主從動輪直徑...............................51
5.4 本章小結(jié).......................................52
6 擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計.......................................53
6.1 擺臂作用.......................................54
6.2 肋板部分設(shè)計...................................56
6.3 擺臂參數(shù)計算...................................58
7 總結(jié)與展望..........................................59
致謝................................................61
參考文獻(xiàn)............................................62
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(fèi)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(fèi)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(shí)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。
礦山井下環(huán)境對礦工搜尋機(jī)器人的要求
井下失蹤礦工搜尋機(jī)器人是一種自主式移動機(jī)器人，它的設(shè)計首先要滿足井下工作環(huán)境的特殊要求，其次要具備快速搜尋并且準(zhǔn)確定位井下失蹤人員的功能，再就是要具有簡單的急救功能，如攜帶少量的水、食品、藥品、包扎物，播放音樂等。與地面環(huán)境相比，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，特別是事故剛剛發(fā)生后的井下條件更為惡劣。
1．井下地形
礦井下地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣。通常情況下，礦井主巷道和主支巷道的路面平坦堅硬但凹處多積水，路面上有礦車鐵軌、水溝、風(fēng)管、線纜等障礙物?？拷ぷ髅娴男∠锏缆访娌黄健⒍嘤衅露?。工作面處的路面坡度較大，積有大量的碎煤、支撐物、滑道等障礙。災(zāi)害發(fā)生后，脫落的頂板、煤石、煤塊等，會形成新的不規(guī)則障礙物，這就要求井下機(jī)器人要有較強(qiáng)的越障和避障能力。復(fù)雜的路況還可能會使機(jī)器人發(fā)生履帶單元局部故障、失去牽引力、零部件失效、傾翻、打滑、掉溝、陷入碎煤區(qū)等情況，這就需要機(jī)器人還具備一定的行駛功能恢復(fù)能力。發(fā)生局部故障后，剩下的正常驅(qū)動部件能使機(jī)器人繼續(xù)行走或返回基站。
2．井下氣候
井下氣候包括井下空氣的溫度、濕度、熱輻射和風(fēng)速。正常通風(fēng)情況下，井下溫度不超過30。C，井下空氣的成分中只含有少量有害氣體(CH。、CO、CO：等)。但井巷內(nèi)多有淋水，空氣濕度大，冬季的濕度也很大。災(zāi)害發(fā)生后，井下氣候會發(fā)生明顯的變化，如氣體組分發(fā)生顯著變化，有害氣體含量增高，特別是瓦斯和粉塵濃度增大；災(zāi)變區(qū)域范圍內(nèi)的井下空氣的溫度、濕度增加；井下通風(fēng)系統(tǒng)故障停運(yùn)或局部的風(fēng)流速度及風(fēng)量減少。
3．高瓦斯
由于事故后，井下通風(fēng)系統(tǒng)常會受到破壞，瓦斯排放不及時，使瓦斯?jié)舛仍黾?，所以，瓦斯爆炸的危險也常常是影響救護(hù)隊員及時下井開展救護(hù)工作的一個主要因素。為此，礦工搜尋機(jī)器人的所有結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行防爆設(shè)計，使它在高瓦斯的情況下能夠安全工作。
4．高溫
火災(zāi)、煤塵瓦斯爆炸后積聚的熱量會在現(xiàn)場直至相鄰局部區(qū)域形成高溫，這些熱量在通風(fēng)未恢復(fù)的情 況下會保持幾日，礦工搜尋機(jī)器人系統(tǒng)在井下溫度變化范圍內(nèi)要能可靠工作。
5．煤塵
正常情況下，井下的煤塵具有一定的濃度，并隨風(fēng)向而流動。在事故發(fā)生后的有效救援時間內(nèi)，巷道內(nèi)仍會存在大量的煤塵。煤塵會進(jìn)入運(yùn)動副的表面，加劇軸承等零件的磨損，并且會附著在CCD光學(xué)傳感器、光源的表面上，影響機(jī)器人的壽命和搜尋精度。這就要求機(jī)器人零件密封、潤滑密封、并使用不易沾附灰塵的光學(xué)材料。
6．潮濕與積水
井下環(huán)境潮濕，事故發(fā)生后，井下排水系統(tǒng)可能受到破壞，即使恢復(fù)排水后也會造成巷道的高濕度，這就決定了機(jī)器人要在一個濕度大、路面濕滑并有凹處積水的潮濕環(huán)境里工作。
7．光照與煙霧
井下場所黑暗，機(jī)器人只有自帶光源，為其視覺系統(tǒng)提供足夠強(qiáng)度的照明光線。事故后往往煙霧充斥巷道和工作面，能見度低，對機(jī)器人的照明有一定的影響。
8．能源
機(jī)器人的能源采用無纜方式，使用井下專用蓄電池供電?？紤]電源的功率、井下巷道和工作面空問的限制，并兼顧機(jī)器人行駛的平穩(wěn)性，應(yīng)適當(dāng)減小機(jī)器人本體的重量和體積。
9．通信
井下信號傳輸具有特殊性，井下煤層對信號的衰減能力非常強(qiáng)，信號傳播距離很短。迄今為止，井下海量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸問題仍然沒有解決。因此，井下的特殊環(huán)境要求失蹤礦工搜尋機(jī)器人形體較小，運(yùn)動靈活，能越障、越鐵軌和過水溝，通過狹小空間、碎煤和碎石區(qū)，有防爆、防水、耐高溫、視覺防塵等功能。在滿足井下工作環(huán)境特殊要求的基礎(chǔ)上，UMMMSR要具備快速搜尋和準(zhǔn)確定位井下失蹤人員的功能，并有簡單的急救功能，如攜帶少量的水、食品、藥品、急救包、礦燈以及播放音樂等。
1 緒 論
1.1 課題研究背景及意義
1.1.1課題研究背景
人類在智慧上超出動物很多，但在特定環(huán)境的適應(yīng)上就要比動物差很多。雖然人發(fā)明了很多的技術(shù)彌補(bǔ)了這一不足，但明顯可以看到，艦船的靈活性比不上魚類，飛機(jī)的靈活性比不上鳥類甚至昆蟲，車輛的地形適應(yīng)性比不上四條腿的動物。搜救機(jī)器人的研究可以彌補(bǔ)我們這方面的不足，對社會產(chǎn)生大的經(jīng)濟(jì)效益。搜救機(jī)器人的研究可以滿足一些行業(yè)的需求。機(jī)器人由于其天生的多自由度，多冗余自由度，可以在狹小的空間內(nèi)穿梭，可以滿足在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行人類無法完成的搜救任務(wù)。
近幾年各種災(zāi)害不斷的發(fā)生，各種災(zāi)害發(fā)生后世界人名都積極投入到救災(zāi)活動中。作為當(dāng)代大學(xué)生對這些災(zāi)難尤其關(guān)注，一些人立即奔赴災(zāi)區(qū)，很多人捐款捐物。災(zāi)難后總會看到有人被困在廢墟下，而外面的人卻一時無法將他們救出時，我們心里十分焦急，總在想：里面的人肯定受了重傷，也一定很餓，如果有個小型搜救器能迅速鉆到廢墟里，探明受傷人位置和情況，給他們送去急需的藥品和飲食該有多好啊?；谶@種想法，搜救機(jī)器人從此誕生了。然而我國在各種災(zāi)害中，但據(jù)資料顯示，搜救機(jī)器人并未得到很好的利用，參加搜救的主要還是以消防官兵，搜救犬及支援人士。
地震、火災(zāi)、礦難等災(zāi)難發(fā)生后,在廢墟中搜尋幸存者,給予必要的醫(yī)療救助,并盡快救出被困者是救援人員面臨的緊迫任務(wù)。實(shí)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(zāi)難現(xiàn)場情況復(fù)雜,在救援人員自身安全得不到保證的情況很難進(jìn)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(jìn)入。災(zāi)難搜救機(jī)器人可以很好地解決上述問題。機(jī)器人可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時間進(jìn)入災(zāi)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(wù),進(jìn)入救援人員無法進(jìn)入的現(xiàn)場搜集有關(guān)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(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作,可以在災(zāi)難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機(jī)器人如可變形多態(tài)機(jī)器人、蛇形機(jī)器人等相繼被開發(fā)出來。
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(diǎn)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(yùn)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
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.。
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）課題研究的社會意義
搜救機(jī)器人的研究給搜救工作帶來很大的方便，在災(zāi)難發(fā)生后，能夠快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，減少人員傷亡，失蹤等不幸事故，更好的為社會服務(wù)。
(2）課題研究的科學(xué)意義
搜救機(jī)器人的研發(fā)，在很大程度上彌補(bǔ)了廣茂達(dá)在搜救領(lǐng)域的不足，為后期更好的擴(kuò)展，奠定了基礎(chǔ)。
1.2 國內(nèi)外研究情況
1.2.1國外研究情況
近十年來,美國、日本等西方發(fā)達(dá)國家在地震、火災(zāi)等救援機(jī)器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場救援的機(jī)器人。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。
1. 形狀可變履帶機(jī)器人
所謂形狀可變履帶機(jī)器人，是指該機(jī)器人所用履帶的構(gòu)形可以根據(jù)地形條件和作業(yè)要求進(jìn)行適當(dāng)變化。圖2所示為一種形狀可變履帶機(jī)器人的外形示意圖。該機(jī)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(jī)驅(qū)動。當(dāng)兩條履帶的速度相同時，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退移動；當(dāng)兩條履帶的速度不同時，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動。當(dāng)主臂桿繞履帶架上的軸旋轉(zhuǎn)時，帶動行星輪轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)履帶的不同構(gòu)形，以適應(yīng)不同的運(yùn)動和作業(yè)環(huán)境（見圖1-1）
圖1-1形狀可變履帶機(jī)器人外形示意圖
為了能進(jìn)入狹小空間展開搜救工作，要求機(jī)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(jī)器人。圖1-2為美國Irobot公司生產(chǎn)的Packbot系列機(jī)器人，packbot機(jī)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(dǎo)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(jī)器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠(yuǎn)近靈活地調(diào)整
(a)正常狀態(tài) （b）直立狀態(tài)
圖1-2 美國Irobot公司packbot多態(tài)搜救機(jī)器人
（ a）平躺狀態(tài) （b）半直立狀態(tài) （ c）直立狀態(tài)
圖1-3 加拿大Inuktun公司Micro VGTV多態(tài)搜救機(jī)器人
2. 位置可變履帶機(jī)器人
所謂位置可變履帶機(jī)器人，是指履帶相對于車體的位置可以發(fā)生變化的履帶式機(jī)器人。這種位置的改變既可以是一個自由度的，也可以是兩個自由度的。圖1-4所示為一種二自由度變位履帶機(jī)器人，各履帶能夠繞車體的水平軸線和垂直軸線偏轉(zhuǎn)，從而改變機(jī)器人的整體構(gòu)形。
圖1-4 二自由度變位履帶機(jī)器人
圖1-4為上述變位履帶機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)示意圖。由上圖可知，當(dāng)A軸轉(zhuǎn)動時，通過一對錐齒輪的嚙合，將運(yùn)動傳遞給驅(qū)動輪，從而帶動履帶運(yùn)動；當(dāng)B軸轉(zhuǎn)動時，通過另一對錐齒輪的嚙合，帶動與履帶架相連的曲柄，使履帶繞主動軸軸線回轉(zhuǎn)變位；當(dāng)C軸傳動時，履帶連同其安裝架一起繞C軸線相對于車體轉(zhuǎn)動，改變其位置。A、B、C三軸由一臺電動機(jī)帶動，通過切換A、B、C三個離合器，使之實(shí)現(xiàn)不同的傳動路線，具體情況參見圖1-5。
a)結(jié)構(gòu)示意圖 b）不同的傳動路線
圖1-5變位履帶機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)示意圖
變位履帶機(jī)器人集履帶式機(jī)器人和全方位輪式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)于一身。當(dāng)其履帶沿一個自由度方向變位時，可用于攀爬階梯和跨越溝渠（見圖1-6）；當(dāng)其履帶沿另一個自由度方向變位時，可實(shí)現(xiàn)車體的全方位行走方式（見圖1-7）。
圖1-6變位履帶機(jī)器人爬梯越溝功能示意圖
圖1-7變位履帶機(jī)器人移動方式示意圖
3.仿生搜救機(jī)器人
雖然履帶式可變形多態(tài)機(jī)器人可根據(jù)搜索空間的大小改變其形狀和尺寸，但受驅(qū)動方式的限制，其體積不可能做得很小。為了滿足對更狹小空間搜索的需要，人們根據(jù)生態(tài)學(xué)原理研制了各種體積更小的仿生機(jī)器人，其中蛇形機(jī)器人就是其中很重要的一類。圖1-8a為cmu研制的安裝的蛇形機(jī)器人。圖1-8b為日本大阪大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人。圖1-8c為美國加州大學(xué)伯克利分校研制的身高不足2cm的蒼蠅搜救機(jī)器人。隨著技術(shù)的不斷成熟，相信蛇形、蠅形等仿生機(jī)器人會在災(zāi)難搜救工作中發(fā)揮越來越大的不可替代的特殊作用。
(a）CMU研制的基于移動 (b)日本大阪大學(xué) （c）加州大學(xué)伯克利
平臺的蛇形機(jī)器人 蛇形機(jī)器人 分校研制的蒼蠅機(jī)器人
圖1-8仿生機(jī)器人
1.2.2 國內(nèi)研究情況
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。
在5.12地震發(fā)生后，針對亂石之中被埋在撫恤下的生命很難發(fā)現(xiàn)，“如果有能穿越亂石的機(jī)器人，也許就可以發(fā)現(xiàn)廢墟下的生命跡象從而救出更多的人！“謝敬濤等5位重慶交大的5位同學(xué)經(jīng)過商量后便有這個想法，發(fā)明一個越障能力強(qiáng)的機(jī)器人-蛇形機(jī)器人（圖1-9）.
圖1-9
圖1-10
由中科院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室研制的空中搜索探測機(jī)器人、廢墟洞穴搜救可變形機(jī)器人、廢墟表面搜救機(jī)器人(如圖1-10),在位于北京西郊鳳凰嶺的國家地震緊急救援訓(xùn)練基地完成了綜合調(diào)試演練，并達(dá)到了預(yù)期性能指標(biāo)。這標(biāo)志著我國地震搜救機(jī)器人系統(tǒng)已進(jìn)入到示范應(yīng)用階段，有望在“十二五”期間作為地震應(yīng)急搜救裝備投入實(shí)際使用。
6月22日，國內(nèi)首臺煤礦搜救機(jī)器人(樣機(jī))在江蘇徐州誕生，該機(jī)器人由中國礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所研制。目前這臺搜救機(jī)器人采用點(diǎn)對點(diǎn)式的無線控制方式，有效控制范圍為300米。由葛世榮教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組正在研制使用中繼站式無線通訊方式，成功后將可實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人1.5公里范圍內(nèi)的無線控制。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，它能在礦難發(fā)生后深入事故現(xiàn)場探測火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛取?zāi)害場景、呼救聲訊等信息，并實(shí)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(shí)施自救和逃生。據(jù)悉，此機(jī)器人通過改裝后還可廣泛應(yīng)用于地面救火、有害氣體測試等用途。
圖1-121
以上是目前世界上的搜救機(jī)器人的研究現(xiàn)狀。搜救機(jī)器人多種多樣，然而真正應(yīng)用在實(shí)際中的機(jī)器人目前不是很多。由于技術(shù)發(fā)展的限制，很多機(jī)器人只能在一個方面使用，沒有幾種多功能的搜救機(jī)器人，但是很多機(jī)器人又有相同的地方。
作為搜救機(jī)器人，越障，搜索，通信，攜帶救援物資等等功能是最基本的功能。這其中越障顯得極為重要，如果機(jī)器人連障礙物都無法穿越，還怎么做到搜救呢？于是越障能力作為考查搜救機(jī)器人能力的最為重要的指標(biāo)。而越障能力由機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計決定的，于是各種各樣形態(tài)的機(jī)器人就誕生了。其實(shí)各種形態(tài)都是為了提高機(jī)器人的越障能力的而存在的。
1.2.3 搜救機(jī)器人技術(shù)發(fā)展方向
搜救機(jī)器人為搜救工作展開了新思路，但是也暴露了一些問題。綜合考慮機(jī)器人技術(shù)和搜救環(huán)境，未來的搜救機(jī)器人技術(shù)需求應(yīng)包括以下幾個方面。
1．機(jī)動裝置設(shè)計
在搜救過程中，機(jī)動是機(jī)器人首先面臨的問題。作為機(jī)器人機(jī)動主體的底盤，需要裝載所有的傳感器。考慮當(dāng)時的環(huán)境，底盤的設(shè)計應(yīng)該滿足以下需求。
（1）能夠通過粗糙地形，越過或繞過障礙物，能夠爬樓梯，能夠通過狹窄空間。
（2）能夠耐熱、放水、防火、防腐蝕
（3）重量輕，能夠在不發(fā)生滑動和再次倒塌的情況下對空間進(jìn)行快速搜索。
2．傳感器
搜救的兩個明確任務(wù)：一是尋找可能的幸存者，二是在最初的結(jié)構(gòu)評估過程中對空間進(jìn)行分類。因此，機(jī)器人攜帶的傳感器必須使它們在移動中探測受災(zāi)者和收集受災(zāi)者信息。如傳感器的設(shè)計需要能夠確定受災(zāi)者的生命跡象，并確定幸存者的狀態(tài)；為了判斷出受困者所在的位置和其所在地點(diǎn)的情形，需要綜合GPS、慣性測量裝置、編譯器、陀螺儀、加速計、觸摸、移動、視覺和聲學(xué)傳感器獲得的信息等。
3．通信
使用有線通信的機(jī)器人在行動中通信系鏈易纏繞，限制了機(jī)器人的移動，適合于短距離的搜救行動。未來的發(fā)展是采用無線通信。在紐約世貿(mào)中心救援中使用的機(jī)器人就是利用無線以太網(wǎng)（2.4GHz 802.11）、有線通信方式與指揮中心保持通信聯(lián)絡(luò)。無線以太網(wǎng)由于帶寬的問題，易導(dǎo)致通信中斷，因此，需要加強(qiáng)動力、抗干擾能力的設(shè)計。
4．圖像處理
通過操縱機(jī)器人能夠獲取現(xiàn)場圖像，用于確定墻壁和柱子計結(jié)構(gòu)的破壞，管道和儲藏庫的泄漏和破裂等。同時機(jī)器人能夠通過獲得的現(xiàn)場結(jié)構(gòu)信息繪制出新的結(jié)構(gòu)圖，從而向救援人員報告受災(zāi)后的精確位置及可能的通路。地圖的繪制可以由一個機(jī)器人完成，也可以與其他機(jī)器人合作來完成。
5．導(dǎo)航技術(shù)
提高機(jī)器人搜索效率和范圍，開展視覺導(dǎo)航技術(shù)的相關(guān)研究。視覺在機(jī)器人路徑規(guī)劃、避障；自動爬樓梯過程中是非常重要的。如NASA噴氣動力實(shí)驗室利用圖像的樓梯邊緣判斷方法，解決了機(jī)器人爬樓梯的自動化。
6．人機(jī)交互界面
為了方便使用者在救援行動中有效的使用機(jī)器人，便捷的人機(jī)交互是非常必須的。一個有效的用戶界面必須能夠向操作員提供足夠的決策參考信息，用于制定機(jī)器人的下一步行動。在這樣的界面下，使用者能夠很容易的獲得機(jī)器人的方向、位置和動力，操作眾多的設(shè)備，比如攝像機(jī)、燈光和車載鉗子，準(zhǔn)確的控制機(jī)器人的移動，從攝像機(jī)獲得圖像。
7．群體機(jī)器人協(xié)同
在面對一個巨大災(zāi)難的時候，可以考慮由多個機(jī)器人組成群體，通過系統(tǒng)協(xié)調(diào)來完成單機(jī)器人無法或難以完成的工作。群體機(jī)器人系統(tǒng)具有空間分布、功能分布、時間分布等特點(diǎn)，所以群體機(jī)器人系統(tǒng)比單機(jī)器人系統(tǒng)具有更強(qiáng)的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
（1）群體機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)器人系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。
（2）設(shè)計和制造多個簡單機(jī)器人比單個復(fù)雜機(jī)器人更容易、成本更低。
（3）使用群體機(jī)器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時間、提高效率。
（4）群體機(jī)器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和彈性。
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(shí)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(qiáng)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)境對搜救機(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(qiáng)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(yùn)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(yùn)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(qiáng)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)方案分析
機(jī)器人在地面上移動的方式通常有三種：輪式、腿式和履帶式。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(diǎn)
輪式移動機(jī)構(gòu)在救災(zāi)機(jī)器人中是最為普通的運(yùn)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(yùn)動速度快、能源利用率高的、機(jī)動性好強(qiáng)的特點(diǎn)，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(dú)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(yùn)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(diǎn)
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(diǎn)有：
（1）腿式機(jī)器人的地形適應(yīng)能力強(qiáng)。腿式機(jī)器人運(yùn)動軌跡由一系列離散點(diǎn)組成，崎嶇地形可以給這些離散點(diǎn)提供支撐，使機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動；而輪式和履帶式機(jī)器人的運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)在于機(jī)器人身體可以平穩(wěn)地運(yùn)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(diǎn)是穩(wěn)定性好，越野能力強(qiáng)。
腿式移動機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)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(yùn)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(shí)用化階段。
圖2-2車輪式行走機(jī)器人
2.2.3履帶式移動機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
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(qiáng)，缺點(diǎn)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(diǎn)：
（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(yùn)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
履帶式實(shí)際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)小；另外與路面黏著力強(qiáng)，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。并且履帶式結(jié)構(gòu)是通過兩條履帶差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實(shí)現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎，還可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。
2.2.4 履，腿式移動機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
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(yùn)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 本研究采用的行走方案
履帶式機(jī)器人具有良好的越障能力和地面適應(yīng)性，已得到廣泛的應(yīng)用．典型的履帶式機(jī)器人可分為固定履帶式機(jī)器人和擺臂履帶式機(jī)器人．?dāng)[臂履帶式機(jī)器人根據(jù)擺臂的數(shù)量可分為四履帶雙擺臂機(jī)器人和六履帶四擺臂機(jī)器人.
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(diǎn)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(qiáng)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(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(diǎn)，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(diǎn)：機(jī)器人重心將前移，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實(shí)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(dú)控制和單獨(dú)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(shí)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：,,,,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(yùn)動最大速度等于1m/s,自備電源運(yùn)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(diǎn)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(yùn)動參數(shù)設(shè)計計算
3.1機(jī)器人越障分析
研究擺臂履帶機(jī)器人的越障機(jī)理與越障能力，有利于對機(jī)器人的越障運(yùn)動進(jìn)行操作與控制，可保證其運(yùn)行穩(wěn)定性和最佳越障性能。本文從運(yùn)動學(xué)的角度，在固定雙履帶機(jī)器人越障機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析四履帶雙擺臂機(jī)器人對臺階、斜坡、溝道等典型障礙的越障運(yùn)動機(jī)理。 履帶式移動機(jī)器人面臨的環(huán)境多為非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境，非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境是多樣的、復(fù)雜的三維地形，包括天然形成的起伏、崎嶇地形，以及人工修建的坡路、階梯、溝道等人工地形。影響或阻止機(jī)器人平臺正常移動的地形、地物稱為障礙地形。而很多地形具有相近的幾何構(gòu)特征，為了便于分析與表述，通常將障礙地形簡化為斜坡、臺階、連續(xù)臺階、凸臺、溝道等具有典型特征的地形。表征斜坡的幾何構(gòu)形特征是坡度和坡向，坡度是高度的最大變化率，坡向是最大變化率的區(qū)域方向，其關(guān)鍵邊界線為斜坡底部與頂部轉(zhuǎn)折線。表征臺階的幾何構(gòu)形特征是高度，其關(guān)鍵邊界線為臺階外角線。表征連續(xù)臺階的幾何構(gòu)形特征是高度和臺階跨度，其關(guān)鍵邊界線為臺階內(nèi)、外角線．表征凸臺的幾何構(gòu)形特征是高度和寬度，其關(guān)鍵邊界線為凸臺兩對內(nèi)、外角線。表征溝道的幾何構(gòu)形特征是跨度和深度，其關(guān)鍵邊界線為溝道兩側(cè)邊緣線。
機(jī)器人克服障礙，是指機(jī)器人利用其行走機(jī)構(gòu)驅(qū)使機(jī)器人移動，使其質(zhì)心越過障礙的關(guān)鍵邊界線，在此過程中機(jī)器人不發(fā)生傾覆，不受障礙卡阻，能繼續(xù)保持機(jī)器人的穩(wěn)定姿態(tài)與移動能力。對于履帶機(jī)器人，可將其攀越凸臺的過程分解為上臺階和下臺階的過程，將其攀爬連續(xù)臺階的過程根據(jù)其幾何構(gòu)形特征的尺寸簡化為攀爬斜坡或依次攀爬臺階的情況。因此，只需著重分析機(jī)器人攀爬臺階、斜坡以及跨越溝道的越障運(yùn)動機(jī)理。為了便于研究履帶機(jī)器人的越障機(jī)理，首先對固定雙履帶機(jī)器人的越障機(jī)理進(jìn)行研究。
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(diǎn)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(diǎn)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)器人正向攀爬臺階的過程
由運(yùn)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：
（3-1）
變換式（1）可得： （3-2）
（3-3）
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(diǎn)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(yùn)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：
（3-4）
在角度為的斜坡圖3-3(b)上跨越溝槽的寬度：
（3-5）
3.2斜坡運(yùn)動分析
機(jī)器人在斜坡上運(yùn)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：
（3-6）
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：
（3-7）
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:
（3-8）
爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：
（3-9）
通過上述分析，可以根據(jù)機(jī)器人履帶與運(yùn)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(yùn)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(diǎn)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(yùn)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。