3490 四履帶搜救機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—行星減速器設(shè)計(jì),履帶,搜救,機(jī)器人,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),行星減速器,設(shè)計(jì) 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文摘 要自然災(zāi)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(fù)雜,井下人員面臨極其危險(xiǎn)的狀況,需盡快地轉(zhuǎn)移與救護(hù)；而搜救工作異常困難和危險(xiǎn),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(shí)、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進(jìn)行環(huán)境探測(cè)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(jì)結(jié)構(gòu)新穎、具有獨(dú)立可操作性的、抗擊一定沖擊和越障能力的履帶式移動(dòng)機(jī)器人，以適應(yīng)在復(fù)雜環(huán)境和崎嶇路況下工作。本研究意義在于為后續(xù)設(shè)計(jì)的搜救機(jī)器人提供一個(gè)基礎(chǔ)的動(dòng)力平臺(tái)，以便于能夠開發(fā)出更多使用功能的搜救機(jī)器人，特別是提供一個(gè)堅(jiān)實(shí)的移動(dòng)平臺(tái)，搭載一些搜救設(shè)備，為井上人員提供救援信息，設(shè)計(jì)合理救援方案，縮短救援時(shí)間，減少傷亡。本設(shè)計(jì)的搜救機(jī)器人移動(dòng)方案是履帶式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。該方案采用模塊化設(shè)計(jì)，便于拆卸維修，可以分段自適應(yīng)復(fù)雜路面，并可主動(dòng)控制兩側(cè)翼板模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)后具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力、機(jī)動(dòng)能力并能抵抗一定高度的掉落沖擊。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由四部分組成：主動(dòng)輪減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)路面執(zhí)行機(jī)構(gòu)、履帶及履帶輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)此設(shè)計(jì)作部件的設(shè)計(jì)，以及強(qiáng)度校核，最后形成設(shè)計(jì)理念。關(guān)鍵字：搜救機(jī)器人；復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)；模塊化設(shè)計(jì)；河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文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 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文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 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文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(guó)內(nèi)外的研究概況 .................................................................61.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 ...............................................................61.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 .......................................................................81.2.3 發(fā)展趨勢(shì) .....................................................................92 搜救機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) ..................................................132.1 井下復(fù)雜環(huán)境對(duì)救災(zāi)機(jī)器人的要求 ...................................132.2 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案論證分析 ...............................................142.2.1 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) ...................................................142.2.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) ...................................................152.2.3 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) ...............................................162.2.4 履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) ...........................................172.2.5 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較 ...........................182.3 研究設(shè)計(jì)采用的行走機(jī)構(gòu) ...................................................182.4 救災(zāi)機(jī)器人性能指標(biāo)與設(shè)計(jì) ..............................................192.5 本章小結(jié) ...............................................................................213 搜救機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 ......................................................223.1 搜救機(jī)器人越障分析 ...........................................................223.1.1 搜救機(jī)器人跨越臺(tái)階 ................................................22河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文23.1.2 搜救機(jī)器人跨越溝槽 ................................................243.2 搜救機(jī)器人斜坡運(yùn)動(dòng)分析 ...................................................253.3 本章小結(jié) ..............................................................................264 驅(qū)動(dòng) 電機(jī)的選則 ..............................................................................264.1 基于平地的最大速度的電機(jī)功率計(jì)算 ........................264.2 爬坡最大坡度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算 ............................274.3 本章小結(jié) ..............................................................................285 驅(qū)動(dòng)輪減速器設(shè)計(jì) ..........................................................................305.1 減速器方案分析 ...................................................................305.1.1 減速器應(yīng)滿足的要求 ................................................305.1.2 減速器方案分析 .......................................................305.2 減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 ..............................................................325.2.1 減速器的傳動(dòng)方案分析 ............................................325.2.2 配齒計(jì)算 ....................................................................325.2.3 初步計(jì)算齒輪的主要參數(shù) ........................................335.2.4 裝配條件的計(jì)算 ........................................................385.2.5 高速級(jí)齒輪強(qiáng)度的驗(yàn)算 ............................................395.2.6 軸的設(shè)計(jì)及校核 .......................................................485.3 本章小結(jié) ...............................................................................516 移 動(dòng)機(jī)構(gòu)履帶及翼板部分設(shè)計(jì) ......................................................526.1.1 確定帶的型號(hào)和節(jié)距 ...............................................536.1.2 確定主從動(dòng)輪直徑 ....................................................546.2 翼板部分設(shè)計(jì) ......................................................................546.3 擺臂作用概述 ......................................................................55致 謝 ...............................................................................................58河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文3前 言在我國(guó)的能源工業(yè)中，煤炭占我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的70% 左右，預(yù)計(jì)到2050年還將占50%以上，因此，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，煤炭仍然是我國(guó)的主要能源，由于我國(guó)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(guó)家對(duì)煤炭資源需求量的不斷增長(zhǎng)，使得我國(guó)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(jì)，2006年我國(guó)礦難死亡1517人，百萬噸死亡率為2.00；2007年全國(guó)礦難死亡1600人，百萬噸死亡率為2.1；2008年全國(guó)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(guó)安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示2009全國(guó)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(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)依然嚴(yán)峻，目前我國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界其他產(chǎn)煤國(guó)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(guó)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(shì)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(chǎng)執(zhí)行營(yíng)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(hào)煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，2名救護(hù)隊(duì)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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文4下突然起火，三門峽市礦山救護(hù)隊(duì)接報(bào)后立即趕到現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)，在救火過程中，突發(fā)瓦斯爆炸，4名救護(hù)隊(duì)員殉職；2006年六枝工礦集團(tuán)公司救護(hù)大隊(duì)的救護(hù)隊(duì)員在井下實(shí)施封閉火區(qū)措施時(shí)，火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，造成8名救護(hù)隊(duì)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(shí)、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進(jìn)行環(huán)境探測(cè)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(cè)，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。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文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(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,并盡快救被困者是救援人員面臨的緊迫任務(wù)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明,超過48 小時(shí)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(chǎng)情況復(fù)雜,在救援人員自身安全得不到保證的情況下是很難進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)尋找幸存者,對(duì)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(chǎng)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(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作,可在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)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。本文在介紹國(guó)內(nèi)外災(zāi)難搜救機(jī)器人最新研究成果及近年來災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用情況的基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)提出了災(zāi)難救援機(jī)器人需要解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問題 ，指出了災(zāi)難救援機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。本文提出的便攜式救災(zāi)機(jī)器人是一種質(zhì)量輕，易于單個(gè)救援人員背負(fù)，具有多種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和抗摔能力，采用履帶方式行進(jìn)河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文6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(duì)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(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并能夠加載各種偵測(cè)設(shè)備對(duì)未知環(huán)境進(jìn)行先期探測(cè)并回傳井巷環(huán)境信息，為及時(shí)有效的救災(zāi)提供決策參考。1.1.2 課題研究意義我國(guó)煤炭資源豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。在我國(guó)的能源工業(yè)中，煤炭占我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的一半以上，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，煤炭仍然是我國(guó)的主要能源，由于我國(guó)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(guó)家對(duì)煤炭資源需求量的不斷增長(zhǎng)，使得我國(guó)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(jì)，2006年我國(guó)礦難死亡1517人，百萬噸死亡率為2.00；2007年全國(guó)礦難死亡1600人，百萬噸死亡率為2.1；2008年全國(guó)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(guó)安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示2009全國(guó)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(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)依然嚴(yán)峻，目前我國(guó)煤礦事故死亡人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界其他產(chǎn)煤國(guó)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(guó)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(shì)已經(jīng)十分嚴(yán)峻。煤礦作為最復(fù)雜、最危險(xiǎn)的工作環(huán)境之一，在發(fā)生安全事故河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文7之后，常常會(huì)因?yàn)榫聫?fù)雜危險(xiǎn)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(huì)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(chǎng)執(zhí)行營(yíng)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(hào)煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，2名救護(hù)隊(duì)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(duì)接報(bào)后立即趕到現(xiàn)場(chǎng)搜救，在救火過程中，突發(fā)瓦斯爆炸，4名救護(hù)隊(duì)員殉職； 2006 年六枝工礦集團(tuán)公司救護(hù)大隊(duì)的救護(hù)隊(duì)員在井下實(shí)施封閉火區(qū)措施時(shí)，火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，造成8名救護(hù)隊(duì)員死亡。井下因?yàn)?zāi)受傷人員面臨極其危險(xiǎn)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(xiǎn)，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(shí)、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進(jìn)行環(huán)境探測(cè)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(cè)，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。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文81.2 國(guó)內(nèi)外的研究概況1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀目前，在救災(zāi)機(jī)器人研究方面，美國(guó)走在了世界的前列，美國(guó)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(dòng)、高可靠性移動(dòng)載體研究方面。如美國(guó)移動(dòng)機(jī)器人(TMR)計(jì)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(guó)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(chǎng)偵查工作，采用電傳遙控方式，有主動(dòng)紅外攝像機(jī)、無線射頻信號(hào)收發(fā)器、陀螺儀和危險(xiǎn)氣體傳感器等裝備。無線遙控距離約76 米。美國(guó)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(gè)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(cè)氧氣、甲烷氣體含量，生成礦井地圖。近十年來,美國(guó)、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)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(chǎng)救援的機(jī)器人。（1） 履帶式機(jī)搜救機(jī)器人履帶式機(jī)器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險(xiǎn)物等作業(yè)的需要，在傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖 1 給出了目前國(guó)際上幾家著名機(jī)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。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文9a b c（a）Foster-Miller 公司的 Minitrac 機(jī)器人（b）Inuktun 公司的 urbot 機(jī)器人（c）SPAWAR 的 SOLEM 機(jī)器人 圖 1-1 機(jī)器人公司給出的典型產(chǎn)品（2） 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(gè) 主 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 。 當(dāng) 兩 條 履 帶 的 速 度 相 同 時(shí) ，機(jī) 器 人 實(shí) 現(xiàn) 前 進(jìn) 或 后 退 移 動(dòng) ； 當(dāng) 兩 條 履 帶 的 速 度 不 同 時(shí) ， 機(jī) 器 人實(shí) 現(xiàn) 轉(zhuǎn) 向 運(yùn) 動(dòng) 。 當(dāng) 主 臂 桿 繞 履 帶 架 上 的 軸 旋 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 帶 動(dòng) 行 星 輪 轉(zhuǎn)動(dòng) ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 履 帶 的 不 同 構(gòu) 形 ， 以 適 應(yīng) 不 同 的 運(yùn) 動(dòng) 和 作 業(yè) 環(huán) 境河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文10圖1-2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(huì)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 3 為美國(guó) Irobot 公司生產(chǎn)的 Packbot 系列機(jī)器人，packbot 機(jī)器人有一對(duì)鰭形前肢，這對(duì)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(tái)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)整形狀和尺寸。(a)正常狀態(tài) （b）直立狀態(tài)圖 1-3 美國(guó) Irobot 公司 packbot 多態(tài)搜救機(jī)器人河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文11（a）平躺狀態(tài) （b）半直立狀態(tài) （c）直立狀態(tài)1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)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(yáng)自動(dòng)化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國(guó)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(jì)了自己的搜救機(jī)器人系統(tǒng)。2005 年中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所與日本國(guó)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(yáng)揭牌成立，這標(biāo)志著我國(guó)的搜救機(jī)器人研究進(jìn)入了一個(gè)更加快速發(fā)展的時(shí)期。2006年6月22日，由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)煤礦搜救機(jī)器人(樣機(jī))在徐州誕生（如圖1-9所示） 。這臺(tái)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(chǎng)，探測(cè)火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛?、?zāi)害場(chǎng)景、呼救聲訊等信息，并實(shí)時(shí)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(shí)，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。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文12圖1-9CUMT-1型礦井搜救機(jī)器人1.2.3 發(fā)展趨勢(shì)機(jī)器人主要有機(jī)械機(jī)構(gòu)，動(dòng)力裝置，驅(qū)動(dòng)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(jī)器人，主要是為了適應(yīng)復(fù)雜的地理環(huán)境，高危險(xiǎn)的環(huán)境，機(jī)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(jī)器人自理能力還是有待提高，特別是自動(dòng)移動(dòng)系統(tǒng)，能夠自主處理前進(jìn)路上的障礙，而且適應(yīng)能力還必須很強(qiáng)。現(xiàn)在發(fā)展的機(jī)器人，有四足式的，有輪式的，有履帶式的，四足的運(yùn)動(dòng)及適應(yīng)能力好，但是面臨的問題是重心問題，就是對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)重心要求高，隨之就帶來相應(yīng)的設(shè)計(jì)問題，要安裝許多的傳感裝置，增加了自身的設(shè)計(jì)重量和體積，對(duì)救援來說是一種負(fù)擔(dān)，但是卡伊考慮用在火災(zāi)救援現(xiàn)場(chǎng)，他 對(duì)地面狀況要求不高，所以比較好，能很好地適應(yīng)環(huán)境。輪式的只能適應(yīng)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(chǎng)合，搜救效果好，而且保障人員的安全，河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文13關(guān)鍵是輪式的對(duì)泥濘的路面適應(yīng)能力不強(qiáng)是一種缺憾，導(dǎo)致他不能廣泛用在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，哪里有復(fù)雜狀況。履帶式的是一種比較好的設(shè)計(jì)思路，他兼?zhèn)淞饲斑厓煞N的優(yōu)點(diǎn)，還有自身的優(yōu)點(diǎn)，特別是越障能力是比較占優(yōu)勢(shì)，對(duì)復(fù)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(shí)候容易誘發(fā)意外。由于機(jī)器人需要人來操控，當(dāng)遇到特別復(fù)雜的路況的時(shí)候，認(rèn)得判斷來解決，而實(shí)際上，機(jī)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(shè)計(jì)要求高，同時(shí)，對(duì)攜帶的視頻設(shè)備要求較高，這樣才能提供出來較準(zhǔn)確的判斷，為下一步指導(dǎo)做準(zhǔn)備。另外，兩條履帶之間間距的設(shè)計(jì)要合理，機(jī)身與地面高度的設(shè)計(jì)，都事關(guān)機(jī)器人在搜救過程能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵問題，是否能夠按理想中完成任務(wù)，以及其越障的機(jī)動(dòng)性，這才是關(guān)鍵的問題，救援也有時(shí)間的要求。其次，機(jī)器人的智能化。智能機(jī)器人是具有思維、感知和行動(dòng)功智能機(jī)器人是具有思維、感知和行動(dòng)功學(xué)、人工智能，微電子學(xué)，光學(xué)， 傳感技術(shù)、材料科學(xué)仿生學(xué)等學(xué)科的綜合成果。智能機(jī)器人可獲取、處理和識(shí)別多種信息，建立并實(shí)時(shí)修正環(huán)境模型， 自主地完成較為復(fù)雜的操作任務(wù)，因此，比一般的工業(yè)機(jī)器人具有更大的靈活性、機(jī)動(dòng)性和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。20 世紀(jì)電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明，使人類的腦力勞動(dòng)自動(dòng)化成為可能，60 年代智能機(jī)器人的出現(xiàn)開辟了智河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文14能生產(chǎn)自動(dòng)化的新紀(jì)元。機(jī)器和生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化，用機(jī)器人代替人完成各種任務(wù)， 這是人類智慧發(fā)展和機(jī)器進(jìn)化的飛躍。智能機(jī)器人作為新一代的生產(chǎn)工具，在制造領(lǐng)域中應(yīng)用，能排腺人為的不可控因素， 實(shí)現(xiàn)高節(jié)奏、高效和高質(zhì)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(lǐng)域，如核工業(yè)、水下、空間、建筑、采掘、教災(zāi)、排險(xiǎn)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(guó)和許多國(guó)家都把智能機(jī)器人列為迎接未來挑戰(zhàn)的高技術(shù)課題，并制訂發(fā)展規(guī)劃，撥出巨款給予支持。因此，21世紀(jì)智能機(jī)器人技術(shù)將會(huì)有突破性的進(jìn)展。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(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。隨著計(jì)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(duì)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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文15位需要，因此需要融合多個(gè)傳感器測(cè)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(shì)。(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(shí)，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(shí)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(jì)2.1 井下復(fù)雜環(huán)境對(duì)救災(zāi)機(jī)器人的要求 在礦井下，周圍環(huán)境跟地面明顯不同，對(duì)機(jī)器人的要求也就十分高，因此機(jī)器人設(shè)計(jì)方案要適應(yīng)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(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(jiǎn)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、避障能力和河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文16行駛功能恢復(fù)能力。（2）井下氣候?yàn)?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(xiǎn)也常常是影響救護(hù)隊(duì)員及時(shí)下井救護(hù)的一個(gè)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(jì)；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(dòng)副，廂體要進(jìn)行密封、防水設(shè)計(jì)。（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(duì)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(jì)的搜救機(jī)器人形體較小，載荷較大，運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(dòng)機(jī)構(gòu)方案論證分析便攜式機(jī)器人按移動(dòng)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(dòng)式、蠕動(dòng)式、混合移動(dòng)式、蛇行移動(dòng)式等。2.2.1 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在救災(zāi)機(jī)器人中是最為普通的運(yùn)動(dòng)方式，輪式機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)速度快、能源利用率高河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文17的、機(jī)動(dòng)性好強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時(shí)間短和工作效率高等優(yōu)勢(shì)。控制的角度看，編程簡(jiǎn)單并有較高的可靠性，每個(gè)輪子都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。與履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，當(dāng)跨越不平坦地形時(shí)，輪式機(jī)器人有著固有的不足，限制了其運(yùn)動(dòng)能力，其穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)裝置示意圖2.2.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分 2 腿、4 腿、6 腿、8 腿等形式。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有：河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文18(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(dòng)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(dòng)；而輪式和履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)軌跡，進(jìn)而限制了該類機(jī)器人活動(dòng)范圍。(2)腿式機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)更具有靈活性，通過調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)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(dòng)而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)有：(1)該類機(jī)器人的移動(dòng)速度慢，機(jī)動(dòng)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(duì)地面適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)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 八腿機(jī)器人 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文192.2.3 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)履帶式移動(dòng)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(dòng)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(dòng)牽引力，機(jī)動(dòng)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(huì)對(duì)路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)比較輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）撐面積大、接地比壓小、滾動(dòng)阻尼小、通過性比較好；（2）越野機(jī)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖圖 2-3 履帶式移動(dòng)裝置示意圖河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文202.2.4 履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)履腿復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動(dòng)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(dòng)范圍廣，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)，輪式移動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)往往是兩條履帶與車身相對(duì)固定，很大程度上限制了機(jī)器人地形適應(yīng)能力(此時(shí)機(jī)器人履帶高度和長(zhǎng)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(dòng)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(duì)車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)控制困難等。2.2.5 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較車輪式，履帶式、腿足式移動(dòng)系統(tǒng)性能比較見表 2-1 所示。表 2-1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比移動(dòng)方式 輪式 履帶式 腿式移動(dòng)速度 快 較快 慢越障能力 差 一般 好復(fù)雜程度 簡(jiǎn)單 一般 復(fù)雜能耗量 小 較小 大河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文21通過表格可以清楚地對(duì)比出那個(gè)方案比較更適合井下救援，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性就更好，所以選擇了四履帶搜救機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，它的適應(yīng)能力相對(duì)較強(qiáng)，適合復(fù)雜環(huán)境。2.3 研究設(shè)計(jì)采用的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出來的便攜式履帶機(jī)器人移動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)適應(yīng)環(huán)境。自適應(yīng)環(huán)境可以提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能、平順性能；主動(dòng)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(jì)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(dòng)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.齒輪控制難易 易 一般 復(fù)雜河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文222.4 救災(zāi)機(jī)器人性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)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(jì)須滿足適合井下復(fù)雜地形、防爆、防碰撞等要求，同時(shí)所載的子系統(tǒng)安裝、使用要方便。在地面移動(dòng)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(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大，減震性能差，零件易損壞。為克服普通履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，給煤礦井下搜救機(jī)器人履帶式移動(dòng)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(gè)擺臂關(guān)節(jié)單獨(dú)控制和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖 2-4 所示。采用后輪驅(qū)動(dòng)，差速轉(zhuǎn)向，可實(shí)現(xiàn)原地 360°轉(zhuǎn)向。擺臂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(tái)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(duì)機(jī)器人的要求，主要設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)最大速度等于 1m/s,自備電源運(yùn)行時(shí)間大于等于 4 小時(shí)。最大越障高度H=300mm，跨越最大溝壑寬度 C=500mm。如 2-5 圖：河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文23圖 2-5設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)除了應(yīng)滿足產(chǎn)品使用性能外，還應(yīng)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(yán)重時(shí)甚至無法生產(chǎn)。一個(gè)工藝性評(píng)價(jià)低劣的產(chǎn)品，在激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境中是站不住腳的。一個(gè)好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須同時(shí)是一個(gè)好的工藝師。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝性評(píng)價(jià)實(shí)際是評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)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(jì)性。這里所說的經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)含意寬廣的術(shù)語，它應(yīng)是材料消耗要少、制造勞動(dòng)要少、生產(chǎn)效率要高和生產(chǎn)成本要低的綜合。評(píng)價(jià)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的機(jī)械加工工藝性可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià):（1）零件結(jié)構(gòu)要素必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（2）盡量采用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)注的尺寸精度等級(jí)好表面粗糙度要求應(yīng)取經(jīng)濟(jì)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(zhǔn)和夾緊表面（6）保證能以較高的生產(chǎn)率加工（7）保證刀具正常工作河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文24（8）加工時(shí)工件應(yīng)有足夠的剛性機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的裝配工藝性評(píng)價(jià)（1）機(jī)器結(jié)構(gòu)應(yīng)能劃分成幾個(gè)獨(dú)立的裝配單元（2）盡量減少裝配過程中的修配勞動(dòng)量和機(jī)械加工勞動(dòng)量（3）機(jī)器結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝配和拆卸機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初環(huán)節(jié)，是先要針對(duì)該產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思。這種針對(duì)主要功能的原理性設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)稱為“功能原理設(shè)計(jì)” 。功能原理設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于提出創(chuàng)新構(gòu)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(duì)構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)、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(jiǎn)圖或示意圖來表示所構(gòu)思的內(nèi)容。功能原理設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品的成敗起決定性作用的工作。2.5 本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外履帶機(jī)器人的移動(dòng)方式，對(duì)三種常見的移動(dòng)方式(輪式、履帶式、腿式)在越野性能、移動(dòng)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。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文253 搜救機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 搜救機(jī)器人越障分析3.1.1 搜救機(jī)器人跨越臺(tái)階（1）越障機(jī)理分析當(dāng)機(jī)器人在爬越臺(tái)階時(shí)，機(jī)器人履帶底線與地面之間的夾角將隨時(shí)間而逐漸增加，其重心越過臺(tái)階的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就跨過了臺(tái)階完成爬越動(dòng)作。（2）越障過程分析河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文26煤礦井下搜救機(jī)器人爬越臺(tái)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(tái)階的支撐點(diǎn)上，機(jī)器人繼續(xù)移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)擺臂逆時(shí)針擺動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人重心越過臺(tái)階邊緣時(shí)，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(tái)階。圖 3-1 機(jī)器人爬越臺(tái)階過程由運(yùn)動(dòng)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(tái)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(tái)階臨界狀態(tài)示意圖由圖 3-2 所示幾何關(guān)系可得：河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文27cos()cot/sinxLhR?????（1）變換式（1）可得： sin/s（2） 2cosi/cos0hLRd??????（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 。maxh3.1.2 搜救機(jī)器人跨越溝槽（1）越障機(jī)理分析對(duì)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(gè)溝槽的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就越過了溝槽，完成了跨越動(dòng)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(shí)，履帶式機(jī)器人可以看做爬越凸臺(tái)障礙。（2）越障分析履帶式移動(dòng)機(jī)器人跨越溝槽時(shí)，機(jī)器人重心不斷向前移動(dòng)，當(dāng)重心越過溝槽邊緣時(shí)，受重力作用，機(jī)器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度變大，為了計(jì)算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文28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 ： 1Lmax1r??（4）在角度為 的斜坡圖 3-3(b)上跨越溝槽的寬度 ：?1max1tanLrh????（5）3.2 搜救機(jī)器人斜坡運(yùn)動(dòng)分析機(jī) 器 人 在 斜 坡 上 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 起 受 力 情 況 如 圖 3-4 所 示 ， 機(jī)器 人 勻 速 行 駛 或 靜 止 時(shí) ， 其 驅(qū) 動(dòng) 力 ： sinFG??（6）圖 3-4 機(jī)器人上坡受力示意圖河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文29最大靜摩擦力系數(shù)為 ，最大靜摩擦力為：?（7）maxcosFG???當(dāng) 時(shí)，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。ax?當(dāng) 時(shí)，機(jī)器人受重力的影響將沿斜面下滑。m?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: 1maxtn()???（8）爬坡時(shí)克服摩擦力所需的最大加速度為：max(cosin)g????（9）通過上述分析，可以根據(jù)機(jī)器人履帶與運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(duì)機(jī)器人移動(dòng)原理進(jìn)行理論分析，運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證了該機(jī)器人在惡劣環(huán)境下具有優(yōu)良機(jī)動(dòng)能力。機(jī)器人的爬坡角度最大為 ；垂直越障高度最大為03300mm：最大跨溝寬度為500mm。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文304 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選則4.1 基于平地的最大速度的電機(jī)功率計(jì)算假設(shè)機(jī)器人以最大速度 勻速前進(jìn)，輪子作瞬時(shí)純滾動(dòng)，sm1前進(jìn)時(shí)不考慮空氣阻力的影響。如下圖所示：河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文31圖 4-1 平地直線運(yùn)動(dòng)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：??0F??1?IniOM則，移動(dòng)機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)的平衡方程為：?? 0,0, 31221 ???????mgLNfRFmgNYfXLRO則， fML 5.312? 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(dòng)電機(jī)經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為： min43.19maxrDvn???4.2 爬坡最大坡度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算相對(duì)于平地行駛過程，爬坡能力對(duì)于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能力是一個(gè)重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，所以在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，爬坡指標(biāo)的計(jì)算也應(yīng)作為選擇電機(jī)的必須依據(jù)。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文32假設(shè)移動(dòng)機(jī)器人在最大指標(biāo)上勻速行駛，速度為 0.1 。sm在行駛過程中輪子作純滾動(dòng)，不考慮空氣阻力的影響。機(jī)器人爬坡受力情況如圖：圖 4-2 機(jī)器人爬坡受力圖爬坡的平衡方程為：?? 03cos,003cosin, 1221 ????????mgLNfRMFmgNYfXLRL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L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(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過減速器后所需提供sm的轉(zhuǎn)速為：n= =11.94?Dvinr4.3 本章小結(jié)由以上分析可知，機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)時(shí)要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時(shí)的要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩較大。因此在選電機(jī)型時(shí)，應(yīng)根據(jù)平地直線運(yùn)動(dòng)要求轉(zhuǎn)速和爬坡要求扭矩進(jìn)行選擇。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院畢業(yè)論文33根據(jù)最大爬坡要求，初步確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速器后的功率為：=53.8W30nMKPL??則所需電機(jī)的輸出功率為： =88.19W?outin則可選擇如下表 4-1 電機(jī)：表 4-1 電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)產(chǎn)品型號(hào) 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(dòng)輪減速器設(shè)計(jì) 移動(dòng)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是完成機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等各種運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換，