《多節(jié)履帶式煤礦井下搜索機(jī)器人設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《多節(jié)履帶式煤礦井下搜索機(jī)器人設(shè)計(jì)（15頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》大作業(yè) 智能搜索機(jī)器人設(shè)計(jì) ——多節(jié)履帶式煤礦井下搜索機(jī)器人設(shè)計(jì) 班級(jí)：32010704班 設(shè)計(jì)小組：張吉紅、劉志偉、李澤宇、潘永飛、沈曉川、孫琛 時(shí)間：2010年12月29日 目錄 1. 機(jī)器人設(shè)計(jì)目的·····················2 2. 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)·····················3 2.1煤礦事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境分析················4 2.2煤礦搜索機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)·············4 2.3煤礦搜索機(jī)器人行走履帶設(shè)計(jì)············

2、·5 2.3.1履帶接地應(yīng)力和地面承載能力··········6 2.3.2地面最大推力·················7 2.3.3地面最大推力牽引力的影響因素·········8 2.4煤礦搜索機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì)·············9 2.5煤礦搜索機(jī)器人單元模塊設(shè)計(jì)·············10 2.6煤礦搜索機(jī)器人運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)·············12 3.小結(jié)···························13 1. 機(jī)器人設(shè)計(jì)目的 近年來(lái)，隨著原油價(jià)格不斷攀高，國(guó)際能源緊張局面再

3、次顯現(xiàn)。我國(guó)有著儲(chǔ)量豐富的煤炭資源，是目前經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)運(yùn)行的主要能源之一，全球能源緊張局勢(shì)的加劇和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的迫切需要，對(duì)煤炭的需求量快速增長(zhǎng)，促使許多煤礦超量超載運(yùn)營(yíng)。由于對(duì)安全保障設(shè)施投入的不足或各種非法的開(kāi)采，導(dǎo)致礦難事故不斷發(fā)生，對(duì)人民的生命安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，給社會(huì)財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失。 據(jù)統(tǒng)計(jì)：2005年全國(guó)煤礦共發(fā)生死亡事故3341起，死亡5986人；一次死亡10人以上特大事故58起，死亡1739人；一次死亡3-9人重大事故210起，死亡886人。從2004年四季度到2005年發(fā)生的百人以上的礦難事故就有6起。2006年1至4月份，全國(guó)煤礦發(fā)生安全事故死亡1154人，發(fā)生

4、一次死亡3-9人的重大事故44起，一次死亡10人以上特大事故4起，一次死亡30人以上特別重大事故1起，2006年全國(guó)煤礦共發(fā)生事故294起、死亡4746人。全國(guó)煤礦平均2.5天就發(fā)生一起一次死亡3人以上的重特大事故。礦難事故主要包括瓦斯事故、粉塵爆炸事故、頂板事故、水害事故、運(yùn)輸事故等，其中以瓦斯事故最為嚴(yán)重，死亡人數(shù)所占比例最大。2005年全國(guó)煤礦發(fā)生瓦斯事故405起，死亡2157人，瓦斯事故死亡人數(shù)占全國(guó)煤礦事故總死亡人數(shù)的36.0%。煤礦井下發(fā)生瓦斯、煤塵等爆炸事故后，井下環(huán)境異常兇險(xiǎn)，搶險(xiǎn)人員一般難以在第一時(shí)間進(jìn)入，往往在井上等待很長(zhǎng)時(shí)間，直到井下情況有所好轉(zhuǎn)才能下井，耽誤了寶貴的救援

5、時(shí)間。事故專家和決策者也由于缺少信息無(wú)法及時(shí)做出判斷和決策，許多礦工因救援不及時(shí)而喪生。 基于此，本文提出一種多節(jié)履帶式搜索機(jī)器人攜帶各類傳感器等檢測(cè)設(shè)備，先于搶險(xiǎn)人員進(jìn)入井下，發(fā)揮自身越障功能到達(dá)礦井深處，探測(cè)井下爆炸事故破壞和環(huán)境、人員情況，并通過(guò)分散在巷道內(nèi)的小型通訊節(jié)點(diǎn)利用無(wú)線通訊手段將信息以聲、像和數(shù)據(jù)的形式實(shí)時(shí)反饋到控制中心，輔助指揮人員進(jìn)行緊急決策或?qū)嵤┛焖?、有效的救助。該?xiàng)目研究對(duì)提高煤礦事故應(yīng)急搶險(xiǎn)能力、減少人員傷亡、決策建議具有重要的意義，同時(shí)也促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣。為煤礦事故處理過(guò)程中更安全、更快速地搜索被困人員、偵察和監(jiān)督危險(xiǎn)地域情況提供一種替代人工作業(yè)

6、的高效煤礦井下搜索探測(cè)機(jī)器人，為減少人員傷亡、確保安全生產(chǎn)提供有力支持，為煤礦生產(chǎn)現(xiàn)代化、提升煤礦安全生產(chǎn)水平起到積極的推進(jìn)作用。本文研究的機(jī)器人除用于煤礦礦井安全生產(chǎn)探測(cè)以及用于搶險(xiǎn)目的外，還可用于地鐵硫礦、銅礦爆炸等生產(chǎn)礦山和其它事故災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，廣闊的推廣領(lǐng)域極大地提高了其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 單元模塊 對(duì)于完成搜救任務(wù)的機(jī)器人可以分為如下五個(gè)系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、 通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和能源供給系統(tǒng)。 功能實(shí)現(xiàn) 在此基礎(chǔ)上發(fā)展適當(dāng)?shù)闹悄芸刂疲M(jìn)入到半自主和遙控相結(jié)合的階段，機(jī)器人能夠辨別障礙，構(gòu)建電子地圖，并進(jìn)行自主避障、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、任務(wù)規(guī)劃等。并進(jìn)一步提高機(jī)器人的搜索

7、能力，包括特征識(shí)別、環(huán)境識(shí)別，具體為辨認(rèn)幸存者和環(huán)境結(jié)構(gòu)。未來(lái)將提高機(jī)器人的視覺(jué)、機(jī)械和遠(yuǎn)程醫(yī)療的能力，機(jī)器人將能夠救助已經(jīng)沒(méi)有意識(shí)的幸存者，能夠在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中開(kāi)辟通道，可以對(duì)幸存者進(jìn)行醫(yī)療救助。 2.機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1煤礦事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境分析 煤礦事故發(fā)生后，井下呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，尤其發(fā)生爆炸后，各種碎片散落堆積、并可能伴有積水、淤泥等，對(duì)煤礦搜索機(jī)器人來(lái)講，環(huán)境異常惡劣，圖2-1顯示了礦井下的一些情況。 通過(guò)分析，煤礦發(fā)生事故后的地形可以總結(jié)為： (1)入口狹??；(2)有限的空間；(3)地面有積水；(4)爆炸腐蝕氣體； (5)到處充滿碎片不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；(6)缺

8、少照明；(7)通訊困難，GPS不能用。 2.2煤礦搜索機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì)煤礦搜索機(jī)器人使用環(huán)境分析，我們可以得出井下搜索探測(cè)主要面對(duì)四種障礙(如圖2-2所示)：(1)普通的粗糙地面；(2)相對(duì)機(jī)器人車體較高的障礙；(3)上下甚至左右都有障礙只有一個(gè)狹小的開(kāi)放空間；(4)相對(duì)機(jī)器人車體較長(zhǎng)的裂縫。 機(jī)器人在煤礦井下深處所經(jīng)歷的復(fù)雜地形，對(duì)其越障能力提出了更加嚴(yán)格的要求。首先，搜索機(jī)器人必須具有很強(qiáng)的地形附著能力，履帶式機(jī)器人可以滿足這個(gè)要求，比輪式機(jī)器人更適合井下環(huán)境。其次，搜索機(jī)器人必須能進(jìn)入狹窄空間和跨越較大裂縫(相對(duì)自身大小)。單體履帶移動(dòng)機(jī)器人具有較大的體積(橫截面

9、)，因而不能進(jìn)入狹窄空間和跨越較大裂縫，而蛇形細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人可以滿足這一點(diǎn)。另外，為了增加煤礦井下的無(wú)線通訊能力，機(jī)器人還必須能攜帶通訊節(jié)點(diǎn)。根據(jù)以上的應(yīng)用環(huán)境條件和實(shí)際功能分析，本文研究的機(jī)器人采用五單元模塊串聯(lián)的多履帶構(gòu)型多關(guān)節(jié)鉸接的蛇形結(jié)構(gòu)[34-39]，如圖2-3所示。 搜索機(jī)器人包括頭部單元模塊、控制單元模塊、電源單元模塊、氣瓶(防爆)單元模塊和節(jié)點(diǎn)單元模塊，每個(gè)單元模塊具有不同的功能，且裝有自己獨(dú)立的電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)器等。單元模塊由關(guān)節(jié)串聯(lián)。另外，單元模塊內(nèi)部腔體通過(guò)軟管相連，用于布線和通氣。 2.3煤礦搜索機(jī)器人行走履帶設(shè)計(jì)(劉志偉) 搜索機(jī)器人的每個(gè)單元模塊

10、采用上下左右四周包覆履帶結(jié)構(gòu)，如圖2-4所示。每個(gè)單元模塊的所有履帶由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖2-11所示。這種行走結(jié)構(gòu)可以提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，防卡死，所有履帶采用單電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，可以減小機(jī)器人本體的質(zhì)量和尺寸，同時(shí)也可以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入狹小空間，上下履帶可以分別與空間的上部和地面接觸，使得機(jī)器人獲得更大的前進(jìn)動(dòng)力；并且上下履帶在前進(jìn)過(guò)程中會(huì)將上方落下的障礙物和地面上的障礙物卷向后方，以“挖掘”的方式前進(jìn)，可防止機(jī)器人被障礙物卡死。當(dāng)機(jī)器人在井下復(fù)雜彎曲巷道中前進(jìn)時(shí)，側(cè)履帶與巷道側(cè)面的接觸有利于助推和轉(zhuǎn)向。當(dāng)機(jī)器人車體發(fā)生大的傾斜，下履帶不能很好地附著地面時(shí)，側(cè)履帶與巷道底

11、面的接觸和相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以起到助推的作用；當(dāng)有比較大的轉(zhuǎn)彎時(shí)，側(cè)履帶與巷道側(cè)面的接觸不但避免了車體卡死，還能以較大的驅(qū)動(dòng)力輔助轉(zhuǎn)彎。對(duì)于履帶式移動(dòng)機(jī)器人，履帶與地面的相互作用直接影響其運(yùn)動(dòng)性能。機(jī)器人與地面屬性是緊密聯(lián)系的，它們之間有整體不可分離性，所以需要全面考慮履帶-地面作用對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的影響。 2.3.1履帶接地應(yīng)力和地面承載能力 履帶可以看作搜索機(jī)器開(kāi)，機(jī)器人在上面通過(guò)，然后力較低的地面，且牽引力較大。履帶可分為剛性履帶和柔性履帶兩種：剛性履帶能夠阻止履帶向內(nèi)屈曲，保證非常均勻的接地壓力，限于低速車輛；柔性履帶分為連續(xù)履帶和間隔履帶。本機(jī)器人的履帶可以歸類為柔性連續(xù)板銷型結(jié)構(gòu)。

12、本機(jī)器人的履帶負(fù)重不大，但負(fù)重輪位置壓力與負(fù)重輪間壓力有差值，所以采用履帶下的平均最大壓力pmm（定義為所有負(fù)重輪下最大壓力的平均值）作為評(píng)價(jià)機(jī)器人軟地性能的指標(biāo)。pmm 按式2-1估算。 pmm = （2-1） 其中： W：機(jī)器人質(zhì)量（kg）；n：一條履帶上的負(fù)重輪數(shù)；b：履帶寬度(cm)；d：負(fù)重輪外徑(cm)；p：履帶節(jié)距(cm)。 通過(guò)該公式計(jì)算本機(jī)器人的pmm≈75kPa。對(duì)于履帶車輛，當(dāng)pmm值低于166.6kPa時(shí)，在軟地上有很好的機(jī)動(dòng)性，當(dāng)超過(guò)294kPa時(shí)，在軟地上的機(jī)動(dòng)性會(huì)受到很大限制。對(duì)于泥炭沼澤地

13、區(qū)，要求pmm不超過(guò)49kPa，可見(jiàn)該地區(qū)本機(jī)器人難以通過(guò)。 使土體失去整體穩(wěn)定的載荷Wc稱為極限載荷，即地面的極限承載能力。取兩種典型情況地面的計(jì)算結(jié)果，即摩擦性土壤和內(nèi)聚性土壤。 式(2-2)和(2-3)說(shuō)明：在摩擦性土壤中，履帶下土壤的承受能力與履帶寬度的平方成正比，為提高承載能力，應(yīng)該縮短履帶接地長(zhǎng)度增加履帶寬度；對(duì)于內(nèi)聚性地面，臨界載荷僅取決于履帶接地面積。 2.3.2地面最大推力 履帶車輛所能產(chǎn)生的最大牽引力主要與地面所能產(chǎn)生的最大推力有關(guān)由土壤的抗剪強(qiáng)度所決定的推力稱為土壤的最大推力，用FHmax表示。根據(jù)庫(kù)侖方程并考慮履刺產(chǎn)生的附加牽引力，土壤的最大

14、推力為： 取兩種典型地面進(jìn)行分析，即摩擦性土壤和內(nèi)聚性土壤： 由式(2-7)和(2-8)可以看出：履刺在摩擦性地面中的作用不大，但在內(nèi)聚性地面中履刺的作用就很顯著，若hb=0.2，牽引力就可以提高40%。煤礦井下地面土質(zhì)情況由于可能有水分的存在，會(huì)兼有粘性和摩擦性，所以在履帶上設(shè)計(jì)履刺對(duì)提高機(jī)器人的行進(jìn)能力會(huì)有幫助。 2.3.3地面最大推力牽引力的影響因素 滑轉(zhuǎn)率i=0時(shí)即地面為純剛性情況，不發(fā)生剪切變形；滑轉(zhuǎn)率i=100%時(shí)為履帶完全打滑狀態(tài)。 由于在實(shí)際情況中履帶接地的法向壓力分布很少是均勻的，不同的分布情況對(duì)牽引力有不同的影響。主要考慮五種典型分布： (1

15、)法向應(yīng)力從前向后呈線性增加；(2)法向應(yīng)力從前向后呈正弦分布；(3)法向應(yīng)力從前向后均勻分布；(4)法向應(yīng)力從前向后呈弧形；(5)法向應(yīng)力從前向后呈線性減小。 由上式可以得到各種不同分布?jí)毫η闆r下的牽引力-滑轉(zhuǎn)率關(guān)系，在摩擦性地面中，滑轉(zhuǎn)率一定時(shí)，分布1牽引力最大，5最小。所以在機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)每一單節(jié)的質(zhì)量安排盡量呈從前向后線性增加的分布。 由于機(jī)器人質(zhì)量比較小，只有50kg左右，每節(jié)采用兩條寬履帶，對(duì)地壓強(qiáng)比較小，又整體結(jié)構(gòu)為串聯(lián)，行駛過(guò)程中縱傾和下陷量都很小，所以履帶-地面相互作用效應(yīng)很小，可以用前面的公式近似計(jì)算分析。數(shù)學(xué)建模時(shí)可以近似認(rèn)為履帶下的法向壓力σn是均勻的，得

16、到： 可以看出，具有相同接地面積的履帶在相同地面上行駛，要發(fā)揮相同的牽引力，短而寬的履帶要比長(zhǎng)而窄的履帶滑轉(zhuǎn)率大，也就是說(shuō)長(zhǎng)而窄的履帶比短而寬的履帶具有較小的障礙阻力和運(yùn)動(dòng)阻力。這與前面提到的提高履帶承載能力是一對(duì)矛盾。 2.4煤礦搜索機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊設(shè)計(jì) 機(jī)器人的五個(gè)單元模塊由關(guān)節(jié)(外形尺寸約104x60x60mm)(如圖2-5所示)串聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)偏航和抬頭運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)其應(yīng)用環(huán)境和搜索的功能要求分析，可以得出運(yùn)動(dòng)時(shí)各關(guān)節(jié)的動(dòng)作關(guān)系：偏航自由度和俯仰自由度都可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)和被動(dòng)的切換。當(dāng)關(guān)節(jié)主動(dòng)控制時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意單元模塊的偏航和俯仰；當(dāng)關(guān)節(jié)被動(dòng)時(shí)，機(jī)器人可以根據(jù)不規(guī)則地形被動(dòng)的調(diào)

17、整自身姿態(tài)，使履帶有效覆蓋地面，靈活適應(yīng)地形，尤其適用于井下交錯(cuò)地形；由于受到整體尺寸的限制，本機(jī)器人不含側(cè)傾自由度，但偏航和俯仰自由度的組合，可以在一定程度上彌補(bǔ)其缺陷。 關(guān)節(jié)將行走單元模塊串聯(lián)成細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)和翻越障礙。關(guān)節(jié)主動(dòng)時(shí)，機(jī)器人可以“抬頭”，從而翻越高達(dá)兩個(gè)單元模塊長(zhǎng)度的障礙，穿越上下甚至左右都有障礙的狹小空間，跨越相對(duì)機(jī)器人單元模塊較長(zhǎng)的裂縫，進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域執(zhí)行搜索任務(wù)。 2.5煤礦搜索機(jī)器人單元模塊設(shè)計(jì)（張吉紅） 本課題所研究的機(jī)器人采用五個(gè)單元模塊串聯(lián)的蛇形結(jié)構(gòu)，各個(gè)單元模塊具有不同的功能要求，但是具有相同的行走運(yùn)動(dòng)單元，只是由于單元模塊的

18、長(zhǎng)度不同，四周包覆履帶的長(zhǎng)度不同而已。 頭部單元模塊(外形尺寸約240x200x180mm)(如圖2-6所示)是機(jī)器人的感知系統(tǒng)，安裝有攝像頭和甲烷傳感器等所需的檢測(cè)設(shè)備，同時(shí)由于井下光線的限制，還配有照明設(shè)備，相當(dāng)于機(jī)器人的“眼睛”，“鼻子”，“嘴巴”和“耳朵”等，可以探測(cè)井下機(jī)器人周圍的環(huán)境信息，包括圖像，氣體，風(fēng)速，濕度，溫度等等，同時(shí)還可以搜索事故后的生命信息，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的交流。這樣，控制中心就可以根據(jù)采集的井下數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，判斷井下的環(huán)境是否適于救援，為事故后及時(shí)有效的搜救提供有力的依據(jù)。 控制單元模塊(外形尺寸約320x200x180mm)(如圖2-7所示)是機(jī)器人的信息處

19、理系統(tǒng)，相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦”，主要完成運(yùn)動(dòng)控制、傳感器信息的處理和與控制中心進(jìn)行通訊等功能，內(nèi)部裝有基于ARM的主控制器、各電機(jī)控制器、多種傳感器、無(wú)線射頻收發(fā)器等。機(jī)器人以局部自主的形式在井下完成搜索任務(wù)，能在一定程度上自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的避障和自身位姿的調(diào)整。 電源單元模塊(外形尺寸約340x200x180mm)(如圖2-8所示)攜帶較大的鋰聚合物電池，為各單元模塊供電，是機(jī)器人工作的動(dòng)力來(lái)源。由于質(zhì)量比較大，考慮到機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和越障靈活性，將其置于中間，同時(shí)為了避免安裝空間的限制，也可以為每個(gè)單元模塊配備相對(duì)較小的電池，以減輕電源單元模塊的負(fù)擔(dān)。受到機(jī)器人總體尺寸的限制，不能采

20、用有纜的方式供電。電池24V供電，形狀和體積將受到單元模塊設(shè)計(jì)空間的限制和影響。 氣瓶(防爆)單元模塊(外形尺寸約320x200x180mm)(如圖2-9所示)攜帶高壓氣瓶，為機(jī)器人內(nèi)部腔體提供惰性氣體，利用正壓防爆。如果機(jī)器人按照隔爆的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，殼體會(huì)很厚，導(dǎo)致機(jī)器人的總體質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，而且電氣系統(tǒng)做到本安設(shè)計(jì)是非常困難的，利用正壓防爆適于本機(jī)器人的設(shè)計(jì)。氣瓶的形狀和體積同樣受單元模塊安裝空間的限制，壓力和容量要適應(yīng)于機(jī)器人殼體的密封狀況和機(jī)器人的工作時(shí)間要求。 節(jié)點(diǎn)單元模塊(外形尺寸約310x200x180mm)(如圖2-10所示)位于機(jī)器人的尾部，帶有搭載艙，裝有多

21、個(gè)移動(dòng)通訊節(jié)點(diǎn)，具有可開(kāi)閉艙門(mén)，在行駛的過(guò)程中，根據(jù)通訊信號(hào)的衰減程度，每隔一定的距離，以“吐”的方式釋放通訊節(jié)點(diǎn)，作為在井下通訊強(qiáng)障礙的環(huán)境中的通訊中繼。本模塊具有釋放節(jié)點(diǎn)的機(jī)構(gòu)，且艙內(nèi)必須能夠存儲(chǔ)足夠數(shù)量的通訊節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)必須按照本安的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在工作和遺棄時(shí)均不能引起井下可燃?xì)怏w的爆炸，由于節(jié)點(diǎn)的加工成本要比實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)回收技術(shù)的代價(jià)低很多，所以目前，節(jié)點(diǎn)不回收。 2.6煤礦搜索機(jī)器人運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 本課題所研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)包括行走和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)包括俯仰和偏航兩個(gè)自由度。機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)是：質(zhì)量m <45kg，翻越30度斜坡和臺(tái)階，最高速度v max=0.25m /s，機(jī)器人的總體

22、尺寸約1700x200x180mm，疊合約750x200x400mm。 機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)：履帶輪的有效半徑r 0=15mm，由v max=0.25m /s可以得出履帶的轉(zhuǎn)速n 1≈160r/min，由翻越30度斜坡可以得出履帶的扭矩M1 ≈1.1397Nm取2Nm，進(jìn)而可知行走電機(jī)的功率P1 ≈20w。 關(guān)節(jié)俯仰運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)2s內(nèi)抬頭90°可以得出關(guān)節(jié)俯仰轉(zhuǎn)速n2 =7.5r/min，根據(jù)機(jī)器人的多節(jié)結(jié)構(gòu)，俯仰關(guān)節(jié)的負(fù)載不同，相應(yīng)的扭矩和功率分別為M21 =17Nm、P21 =15w、M 22=68Nm、p 22=55w。 關(guān)節(jié)偏航運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)2s內(nèi)偏航90°可以得出關(guān)節(jié)偏

23、航轉(zhuǎn)速n 3=7.5r/min，假設(shè)地面的摩擦系數(shù)i=0.3，則關(guān)節(jié)偏航的扭矩與功率分別為M =5Nm、p =5w。 根據(jù)以上的分析和計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行端(傳動(dòng)鏈末端)的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率，經(jīng)查閱相關(guān)的資料，設(shè)計(jì)出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案如表2-1。選用maxon無(wú)刷直流伺服電機(jī)，根據(jù)電機(jī)和減速器的安裝使用要求設(shè)計(jì)出機(jī)器人的行走驅(qū)動(dòng)單元(如圖2-11所示)，關(guān)節(jié)俯仰驅(qū)動(dòng)單元(如圖2-12和圖2-14所示)，關(guān)節(jié)偏航驅(qū)動(dòng)單元(如圖2-13所示)。 綜上所述：本機(jī)器人采用五單元模塊串聯(lián)的多履帶構(gòu)型多關(guān)節(jié)鉸接的蛇形結(jié)構(gòu)提高了其困難障礙的通過(guò)能力，包覆在車體四周的履帶都可以接觸障礙推進(jìn)前行，便于穿越狹窄空間和轉(zhuǎn)彎，通過(guò)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)機(jī)器人可以翻越高達(dá)前兩個(gè)單元模塊長(zhǎng)的障礙，跨越寬相當(dāng)于前兩個(gè)單元模塊長(zhǎng)的深溝，具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)性，能夠完成井下事故后的搜索任務(wù)。 3.小結(jié) 根據(jù)煤礦搜索機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境條件和實(shí)際功能要求，設(shè)計(jì)出了機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)，包括行走模塊、關(guān)節(jié)模塊、單元模塊和運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了機(jī)器人的行走工具—履帶。經(jīng)過(guò)分析，機(jī)器人采用本結(jié)構(gòu)可以完成事故后的搜索任務(wù)，為建立實(shí)用化的系統(tǒng)工程樣機(jī)并完成工程試驗(yàn)驗(yàn)證提供了合理的本體系統(tǒng)。 14