煤矿救灾机器人毕业设计论文(编辑修改稿)

煤矿救灾机器人毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

斜面、障碍、台阶、沟壕、浅坑等地形。 而井下发生灾害后，工作环境会遭到不同程度的破坏，因此机器人的移动机构对井下环境的适应也可以说是对于非结构环境的适应。 通过对这些不同地形的分析，我们发现各种复杂地形都是由于少 数几种基本的地形特征构成，我们称之为“典型地形特征”。 常见的典型地形特征有三种，即水平面、倾斜面和垂直面障碍。 常见的大多数非结构环境的地形都可以视为这三种地形特征不同形式的组合，如沟壕可视为下垂直障碍和上垂直障碍的组合，阶梯可视为连续垂直障碍的组合。 如果移动机器人能够以某种动作或动作序列适应这几种典型地形，则可以通过动作序列的有效组合达到适应这几种典型地形，则可以通过动作序列的有效组合达到适应复杂三维的目的。 行走机构方案选择与确定 轮式行走系统在相对平坦的地形中具有相当的优 势，运动速度迅速、中国矿业大学 09 届本科生毕业设计论文 第 8 页 平稳，结构和控制也较简单，很多机器人的行走系统都设计成轮式结构。 由于轮式移动系统比较适合平缓的环境，大多数的研究者通过选择合适的悬架系统来使其适应凹凸不平的地形。 目前出现的机器人轮式行走系统有单轮、两轮、四轮、五轮、六轮以及多轮等几种形式。 下面列举一些具有代表意义的典型结构。 四轮式机器人 :美国喷气推进实验室 (JPL)在非结构环境特别是行星表面科学探测车技术方面处于领先水平。 Nanrover 是 JPL 研制的一种小型四轮可旋转支架式探测车，四个轮子通过摆臂与车体中心的一根轴相连。 这是一部非常轻 巧的探测车 ,其重量仅为。 NASA 的“火星科学实验”正在研制另一种四轮机器人，其前后轮均采用了三维互动悬挂结构。 日本东芝公司也研制了四轮火星探测机器人，四个轮子均采用独立的弹性悬挂系统，其中前轮带有摆臂，可以引导车身爬上较高的台阶。 五轮、六轮式机器人：日本 NASDA 的 Micro5 是典型的五轮式探测车。 他的四个轮子是驱动轮，另外一个中间轮是支撑轮。 采用的是“五级辅助悬挂”行走系统。 Micro5 机器人系统全重约 5kg，整体尺寸为 55 53 25cm，越障高度 13cm，爬坡能力 40176。 ，行走速度。 由中国科学技术大学研制的高机动性越障机器人行走系统采用六轮形式。 行走系统有前部叉式双摆杆越障机构、车身、平行四边形支撑机构以及后轮支撑机构组成，外形像个大蜘蛛。 该行走系统可以越过高于轮子直径 倍的垂直障碍。 在攀越单侧小型障碍时，前后轮可以分别攀越，从而保证了整个机构平稳越障。 在六轮机器人中，最具代表性的可能要数 NASAyanzhi 的火星系列机器人了。 自 1989 年来， NASAkaishi 研究质量在 550千克之间的 Rocky 系列微型漫游者。 在“索杰纳”、“勇气好”和“机遇号”中都采用了同一种类型的机械结构 —— “ rockerbogie”。 这种结构没有涉及轴与弹簧，但可以很好避开障碍物。 可以使六个轮子都着地，而且还能使机器人倾斜 45176。 而不倒。 机器人六个轮子中，每个都有独立的驱动电机。 前面两个轮子可以分别控制其运动，使机器人向需要的地方运行。 国内的一些探月机器人上也能看到类似的结构。 履带式机器人 履带式行走系统具有较好的越障性能，较强的适应和使用寿命。 但其往往重量大，且能耗高。 日本大阪大学研制出蛇形履带机器人，能在高低不平的废墟上前进，每中国矿业大学 09 届本科生毕业设计论文 第 9 页 节的周围都布有履带。 美国 iRobot 公司研制了“ PackBot系列机器人，在普通双履带底盘的基础上添置了一对前摆臂，在一定程度上增加了它的适应能力。 InuKtun 公司研制了机器人 MicroVGTV，机身履带可变为，采用电缆控制，含有直视的彩色或黑白摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可以用于与压在废墟中的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务。 北京航天航空大学机器人研究所提出的模块化可重构履带结构是一种新型的非结构环境移动机器人行走系统。 腿式机器人 腿式行走系统在机动性和能效方面优于轮式系统，由于腿式行走系统的落足点 时几个离散的位置点，可以越过更复杂的障碍，窜过更崎岖的地形，具有较强的越野能力。 腿式行走系统能够自主隔振。 可以保证传感器和科学设备沿平滑预定的轨迹运行。 美国卡内基 梅隆大学和美国航空航天局合作开发了 Dante 系列机器人。 DanteⅡ高 3m，宽 6m,重 770kg，速度 1m/min，步长 ，最大可跨越障碍，最大单步转弯 11176。 .1994 年 78月， DanteⅡ对距安克雷奇 145 千米的斯帕火山进行考察，传回了数据机图像。 仿生腿式机器人是腿式机器人中的重要成员，也是腿式机器人研究热点，其利用仿生 移动的原理进行行走和越障。 诸如美国军方研制的四足机器人有良好的鲁班性，即使被踹一脚也不会摔倒，可以自动快速恢复状态，能够适应各种路面。 其它形式机器人 日本东京工业大学研制的可重构机器人“ SMCRover”由母机器人和多个子机器人组成。 其中母机器人本身不能移动，只有在与子机器人结合后成为轮式移动机器人。 而子机器人既可以做母机器人的单个轮子，也可以由 2个子机器人连接在一起，用连接臂做平衡和转向的车体部分从而单独做行星探险机器人。 中国科学院沈阳自动化研究所的可重构星球探测机器人也有类似的结构。 中科院机器人重点实验室研制的 CLIMBER 机器人采用的也是复合式行走系统。 机器人由轮、腿、履带复合构成，具有翻越障碍、楼梯，跨越壕沟，在倾斜面上行走，倾倒自行复位的功能。 机器人外形尺寸 80 72 48cm，轮式移动 10m/min、履带移动 5m/min，最高翻越障碍 28cm。 中国矿业大学 09 届本科生毕业设计论文 第 10 页 其它特殊形式的移动机器人也是各有各的有缺点，如单边轮用一个轮子代替整个车体，很好地利用了圆这种几何结构的地形适应能力，避免了车底净高等护驾几何约束对车辆地形适应能力的限制，大大减少体积，增加了机动性和灵活性，但这种机器人控 制复杂，越障能力低。 球形轮在各方向上的截面都是圆，具有很好地地形适应能力，但控制也相对复杂。 综上所述，国内外研究开发了许都种非结构环境的移动机器人行走系统，轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它复合形式的机器人特点如表 21所列，它们的行走系统对比如表 22所列。 表 21 国内外具有代表性的行走系统比较 机器人 名 称 国家 /单位 结构 形式 行走系统尺寸 (m) 越障 高度 （ m） 爬坡 角度 越障 H 与行走系统 L 比 Gyrover 美国 /CMU 单轮 / / / Scout 美国 /明达苏达 双轮 / / / Nomand 美国NASA、 CMU 四轮 轮径 / Micro5 日本 五轮 轮径 40 度 Rocker 美国/NASA 六轮 轮径 35 度 Daedalus 美国 /CMU 四足 高 1 3040 度 Ambler 美国 /CMU 六足 高 / DanteⅡ 美国/NASA、CMU 八足 高 3，宽 / 0． 43 模块重构履带机器人 北航 履带 60 度 CLIMBER 中科院 复合 / 1 中国矿业大学 09 届本科生毕业设计论文 第 11 页 表 22 各类行走系统优缺点比较 移动方式 优点 缺点 轮式 高速、高效 越障能力较差 腿式 地形适应能力强 速度低，效率低 、控制 复杂 履带式 地形适应能 力强 重量达，能耗大 轮腿 /复合式 高速高效，地形适应能力强 控制比较复杂 行走方案的确定 根据以上的定性分析，本文选用轮式作为驱动单元。 但对于非结构环境，普通轮式机器人仍需要进行改进以提高其适应性。 除越障性能需要提高外，另一个原因是机器人在复杂的非结构环境地形虚假的性能除了取决于其在典型地形特征下的性能以及典型地形特征的组合参数以外，还受机器人对典型地形特征之间过渡得适应性的影响。 因此，本文所设计的机器人结构设计思路集中在对普通轮式构型进行改进。 设想在轮式机器人前面加一对摆 臂 ,这样在较为平坦的地段可以把摆臂收起来变形为轮式 ,快速推进 ,节省探测时间；也可以发挥摆臂能够适应各种障碍的优点。 对非结构环境的地形及变形情况如图 21 图 21 机器人地形适应示意图 本章小结 本章从对井下工况条件分析得出应以典型地形特征为越障对象，结合中国矿业大学 09 届本科生毕业设计论文 第 12 页 目前的研究基础以及现有的技术条件，通过对轮式、履带式机器人和其它形式的机器人的定性分析，确定煤矿救灾机器人采用轮式作为驱动模块。 同时考虑到轮式行走机构的特点，给其 加上摆臂使得轮式行走机构的越障能力提高。 中国矿业大学 09 届本科生毕业设计论文 第 13 页 3 机器人行走机构的机械设计 机器人行走机构总体方案 机器人采用对称结构，摆臂运动单元不仅能够实现车轮自身的旋转运动，而且能够绕主动轮中心摆动，车轮之间为机器人的主体部分，可装载控制系统、数据采集模块及其他各种设备。 为保证机器人在矿井内部的良好通过性，对摆臂的长度、驱动轮直径、车体长度以及机器人的整体尺寸等进行综合考虑。 同时在煤矿煤尘爆炸事故后的探测营救过程中，救护人员在井下高 温环境下负重作业，其体力以及氧气消耗都很大。 营救机器人主要作用是代替救护人员搬运、转移伤员和遇难者至安全区域，而且营救机器人需要携带必要的救护设备和仪器，因此营救机器人应该具有足够大的尺寸和动力以及良好的续航能力。 依此方案设计的机器人分配为：两边的主转动轮为 2 自由度；两条摆臂车轮转动为 2 自由度；两摆臂各自的摆动为 2 自由度。 这样机器人总共需要6 自由度，需要 6 个电机，由于机器人尺寸、总质量、驱动功率以及防爆要求等限制，必需在不影响机器人运动能力的前提下，尽可能的减少电动机的数量。 因此，将主转动轮的驱动用 2 个自 由度，把两个摆臂连成一体共用 1个自由度，这样机器人共有 3 个自由度，需要 3 个驱动电动机。 机身结构如图 31 所示。 图 31 机身总体结构图 中国矿业大学 09 届本科生毕业设计论文 第 14 页 主传动系统设计 主传动机构是由驱动电机、圆柱齿轮副、星齿轮减速器和链传动组成，主传动机构系统如图 32 所示： 图 32 主传动机构图 备注 ： 1 驱动电动机， 2 传动大齿轮， 3 电机固定板， 4 传动小齿轮， 5 行星减速器，6 链轮。 主传动系统中驱动电机 1 经过圆柱齿轮副 2 和行星齿轮减速器 5 将驱动动力传给 链轮 6。 然后链轮 6 再把动力传递给轮边的链轮。 摆臂方案设计 在机器人的两个 前臂运动单元中，除了链轮的旋转驱动外，还有摆臂的摆动。 如图 33 所示： 中国矿业大学 09 届本科生毕业设计论文 第 15 页 图 33 摆臂机构图 备注： 1 小齿轮， 2 电机安装底座， 3 电机， 4 轴承套， 5 摆臂， 6 链轮， 7 大齿轮，8 轴承， 9 传动轴。 电机 3 经过小齿轮将驱动动力传给大齿轮 7，大齿轮 7 通过螺栓联接将动力传给摆臂，从而实现摆臂绕从动轮中心转动。 传动轴 9 与大齿轮 7 之间有轴承连接两个运动相互独立，互不干涉。 传动轴 9 把动 力传给链轮 6，链轮 6 与摆臂 5 的运动相互独立。 机器人行走机构具体设计 主传动系统的具体设计 ⑴ 主电机功率估算 轮式煤矿救援 机器人设计数据 ： ① 车体重量：车体 总重 310Kg ② 最高运行速度： 60m/min ③ 最大爬坡高度： 30176。 ④ 轮 与地面的摩擦系数： ⑤ 机器人工作阻力： 机器人的受力模型如图 34 所示。 中国矿业大学 09 届本科生毕业设计论文 第 16 页 图 34 机器人受力分析模型 GF uG  30c os60c os  = 1310 2 3310    。