【文章內(nèi)容簡介】 斜面、障礙、臺階、溝壕、淺坑等地形。而井下發(fā)生災(zāi)害后，工作環(huán)境會遭到不同程度的破壞，因此機器人的移動機構(gòu)對井下環(huán)境的適應(yīng)也可以說是對于非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)。 通過對這些不同地形的分析，我們發(fā)現(xiàn)各種復(fù)雜地形都是由于少 數(shù)幾種基本的地形特征構(gòu)成，我們稱之為“典型地形特征”。常見的典型地形特征有三種，即水平面、傾斜面和垂直面障礙。 常見的大多數(shù)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的地形都可以視為這三種地形特征不同形式的組合，如溝壕可視為下垂直障礙和上垂直障礙的組合，階梯可視為連續(xù)垂直障礙的組合。如果移動機器人能夠以某種動作或動作序列適應(yīng)這幾種典型地形，則可以通過動作序列的有效組合達(dá)到適應(yīng)這幾種典型地形，則可以通過動作序列的有效組合達(dá)到適應(yīng)復(fù)雜三維的目的。 行走機構(gòu)方案選擇與確定 輪式行走系統(tǒng)在相對平坦的地形中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu) 勢，運動速度迅速、中國礦業(yè)大學(xué) 09 屆本科生畢業(yè)設(shè)計論文 第 8 頁 平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)和控制也較簡單，很多機器人的行走系統(tǒng)都設(shè)計成輪式結(jié)構(gòu)。由于輪式移動系統(tǒng)比較適合平緩的環(huán)境，大多數(shù)的研究者通過選擇合適的懸架系統(tǒng)來使其適應(yīng)凹凸不平的地形。目前出現(xiàn)的機器人輪式行走系統(tǒng)有單輪、兩輪、四輪、五輪、六輪以及多輪等幾種形式。下面列舉一些具有代表意義的典型結(jié)構(gòu)。 四輪式機器人 :美國噴氣推進實驗室 (JPL)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境特別是行星表面科學(xué)探測車技術(shù)方面處于領(lǐng)先水平。 Nanrover 是 JPL 研制的一種小型四輪可旋轉(zhuǎn)支架式探測車，四個輪子通過擺臂與車體中心的一根軸相連。這是一部非常輕 巧的探測車 ,其重量僅為 。 NASA 的“火星科學(xué)實驗”正在研制另一種四輪機器人，其前后輪均采用了三維互動懸掛結(jié)構(gòu)。日本東芝公司也研制了四輪火星探測機器人，四個輪子均采用獨立的彈性懸掛系統(tǒng)，其中前輪帶有擺臂，可以引導(dǎo)車身爬上較高的臺階。 五輪、六輪式機器人：日本 NASDA 的 Micro5 是典型的五輪式探測車。他的四個輪子是驅(qū)動輪，另外一個中間輪是支撐輪。采用的是“五級輔助懸掛”行走系統(tǒng)。 Micro5 機器人系統(tǒng)全重約 5kg，整體尺寸為 55 53 25cm，越障高度 13cm，爬坡能力 40176。，行走速度 。由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的高機動性越障機器人行走系統(tǒng)采用六輪形式。行走系統(tǒng)有前部叉式雙擺桿越障機構(gòu)、車身、平行四邊形支撐機構(gòu)以及后輪支撐機構(gòu)組成，外形像個大蜘蛛。該行走系統(tǒng)可以越過高于輪子直徑 倍的垂直障礙。在攀越單側(cè)小型障礙時，前后輪可以分別攀越，從而保證了整個機構(gòu)平穩(wěn)越障。 在六輪機器人中，最具代表性的可能要數(shù) NASAyanzhi 的火星系列機器人了。自 1989 年來， NASAkaishi 研究質(zhì)量在 550千克之間的 Rocky 系列微型漫游者。在“索杰納”、“勇氣好”和“機遇號”中都采用了同一種類型的機械結(jié)構(gòu) —— “ rockerbogie”。這種結(jié)構(gòu)沒有涉及軸與彈簧，但可以很好避開障礙物?？梢允沽鶄€輪子都著地，而且還能使機器人傾斜 45176。而不倒。機器人六個輪子中，每個都有獨立的驅(qū)動電機。前面兩個輪子可以分別控制其運動，使機器人向需要的地方運行。國內(nèi)的一些探月機器人上也能看到類似的結(jié)構(gòu)。 履帶式機器人 履帶式行走系統(tǒng)具有較好的越障性能，較強的適應(yīng)和使用壽命。但其往往重量大，且能耗高。 日本大阪大學(xué)研制出蛇形履帶機器人，能在高低不平的廢墟上前進，每中國礦業(yè)大學(xué) 09 屆本科生畢業(yè)設(shè)計論文 第 9 頁 節(jié)的周圍都布有履帶。美國 iRobot 公司研制了“ PackBot系列機器人，在普通雙履帶底盤的基礎(chǔ)上添置了一對前擺臂，在一定程度上增加了它的適應(yīng)能力。 InuKtun 公司研制了機器人 MicroVGTV，機身履帶可變?yōu)椋捎秒娎|控制，含有直視的彩色或黑白攝像頭，并帶有微型話筒和揚聲器，可以用于與壓在廢墟中的幸存者通話，適用于在小的孔洞和空間中執(zhí)行任務(wù)。北京航天航空大學(xué)機器人研究所提出的模塊化可重構(gòu)履帶結(jié)構(gòu)是一種新型的非結(jié)構(gòu)環(huán)境移動機器人行走系統(tǒng)。 腿式機器人 腿式行走系統(tǒng)在機動性和能效方面優(yōu)于輪式系統(tǒng)，由于腿式行走系統(tǒng)的落足點 時幾個離散的位置點，可以越過更復(fù)雜的障礙，竄過更崎嶇的地形，具有較強的越野能力。腿式行走系統(tǒng)能夠自主隔振。可以保證傳感器和科學(xué)設(shè)備沿平滑預(yù)定的軌跡運行。 美國卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)和美國航空航天局合作開發(fā)了 Dante 系列機器人。DanteⅡ高 3m，寬 6m,重 770kg，速度 1m/min，步長 ，最大可跨越障礙，最大單步轉(zhuǎn)彎 11176。 .1994 年 78月， DanteⅡ?qū)喟部死灼?145 千米的斯帕火山進行考察，傳回了數(shù)據(jù)機圖像。仿生腿式機器人是腿式機器人中的重要成員，也是腿式機器人研究熱點，其利用仿生 移動的原理進行行走和越障。諸如美國軍方研制的四足機器人有良好的魯班性，即使被踹一腳也不會摔倒，可以自動快速恢復(fù)狀態(tài)，能夠適應(yīng)各種路面。 其它形式機器人 日本東京工業(yè)大學(xué)研制的可重構(gòu)機器人“ SMCRover”由母機器人和多個子機器人組成。其中母機器人本身不能移動，只有在與子機器人結(jié)合后成為輪式移動機器人。而子機器人既可以做母機器人的單個輪子，也可以由 2個子機器人連接在一起，用連接臂做平衡和轉(zhuǎn)向的車體部分從而單獨做行星探險機器人。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的可重構(gòu)星球探測機器人也有類似的結(jié)構(gòu)。 中科院機器人重點實驗室研制的 CLIMBER 機器人采用的也是復(fù)合式行走系統(tǒng)。機器人由輪、腿、履帶復(fù)合構(gòu)成，具有翻越障礙、樓梯，跨越壕溝，在傾斜面上行走，傾倒自行復(fù)位的功能。機器人外形尺寸 80 72 48cm，輪式移動 10m/min、履帶移動 5m/min，最高翻越障礙 28cm。 中國礦業(yè)大學(xué) 09 屆本科生畢業(yè)設(shè)計論文 第 10 頁 其它特殊形式的移動機器人也是各有各的有缺點，如單邊輪用一個輪子代替整個車體，很好地利用了圓這種幾何結(jié)構(gòu)的地形適應(yīng)能力，避免了車底凈高等護駕幾何約束對車輛地形適應(yīng)能力的限制，大大減少體積，增加了機動性和靈活性，但這種機器人控 制復(fù)雜，越障能力低。球形輪在各方向上的截面都是圓，具有很好地地形適應(yīng)能力，但控制也相對復(fù)雜。 綜上所述，國內(nèi)外研究開發(fā)了許都種非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動機器人行走系統(tǒng)，輪式、腿式、輪腿式、履帶式和其它復(fù)合形式的機器人特點如表 21所列，它們的行走系統(tǒng)對比如表 22所列。 表 21 國內(nèi)外具有代表性的行走系統(tǒng)比較 機器人 名 稱 國家 /單位 結(jié)構(gòu) 形式 行走系統(tǒng)尺寸 (m) 越障 高度 （ m） 爬坡 角度 越障 H 與行走系統(tǒng) L 比 Gyrover 美國 /CMU 單輪 / / / Scout 美國 /明達(dá)蘇達(dá) 雙輪 / / / Nomand 美國NASA、 CMU 四輪 輪徑 / Micro5 日本 五輪 輪徑 40 度 Rocker 美國/NASA 六輪 輪徑 35 度 Daedalus 美國 /CMU 四足 高 1 3040 度 Ambler 美國 /CMU 六足 高 / DanteⅡ 美國/NASA、CMU 八足 高 3，寬 / 0． 43 模塊重構(gòu)履帶機器人 北航 履帶 60 度 CLIMBER 中科院 復(fù)合 / 1 中國礦業(yè)大學(xué) 09 屆本科生畢業(yè)設(shè)計論文 第 11 頁 表 22 各類行走系統(tǒng)優(yōu)缺點比較 移動方式 優(yōu)點 缺點 輪式 高速、高效 越障能力較差 腿式 地形適應(yīng)能力強 速度低，效率低 、控制 復(fù)雜 履帶式 地形適應(yīng)能 力強 重量達(dá)，能耗大 輪腿 /復(fù)合式 高速高效，地形適應(yīng)能力強 控制比較復(fù)雜 行走方案的確定 根據(jù)以上的定性分析，本文選用輪式作為驅(qū)動單元。但對于非結(jié)構(gòu)環(huán)境，普通輪式機器人仍需要進行改進以提高其適應(yīng)性。除越障性能需要提高外，另一個原因是機器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境地形虛假的性能除了取決于其在典型地形特征下的性能以及典型地形特征的組合參數(shù)以外，還受機器人對典型地形特征之間過渡得適應(yīng)性的影響。因此，本文所設(shè)計的機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計思路集中在對普通輪式構(gòu)型進行改進。 設(shè)想在輪式機器人前面加一對擺 臂 ,這樣在較為平坦的地段可以把擺臂收起來變形為輪式 ,快速推進 ,節(jié)省探測時間；也可以發(fā)揮擺臂能夠適應(yīng)各種障礙的優(yōu)點。對非結(jié)構(gòu)環(huán)境的地形及變形情況如圖 21 圖 21 機器人地形適應(yīng)示意圖 本章小結(jié) 本章從對井下工況條件分析得出應(yīng)以典型地形特征為越障對象，結(jié)合中國礦業(yè)大學(xué) 09 屆本科生畢業(yè)設(shè)計論文 第 12 頁 目前的研究基礎(chǔ)以及現(xiàn)有的技術(shù)條件，通過對輪式、履帶式機器人和其它形式的機器人的定性分析，確定煤礦救災(zāi)機器人采用輪式作為驅(qū)動模塊。 同時考慮到輪式行走機構(gòu)的特點，給其 加上擺臂使得輪式行走機構(gòu)的越障能力提高。 中國礦業(yè)大學(xué) 09 屆本科生畢業(yè)設(shè)計論文 第 13 頁 3 機器人行走機構(gòu)的機械設(shè)計 機器人行走機構(gòu)總體方案 機器人采用對稱結(jié)構(gòu)，擺臂運動單元不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車輪自身的旋轉(zhuǎn)運動，而且能夠繞主動輪中心擺動，車輪之間為機器人的主體部分，可裝載控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊及其他各種設(shè)備。為保證機器人在礦井內(nèi)部的良好通過性，對擺臂的長度、驅(qū)動輪直徑、車體長度以及機器人的整體尺寸等進行綜合考慮。 同時在煤礦煤塵爆炸事故后的探測營救過程中，救護人員在井下高 溫環(huán)境下負(fù)重作業(yè)，其體力以及氧氣消耗都很大。營救機器人主要作用是代替救護人員搬運、轉(zhuǎn)移傷員和遇難者至安全區(qū)域，而且營救機器人需要攜帶必要的救護設(shè)備和儀器，因此營救機器人應(yīng)該具有足夠大的尺寸和動力以及良好的續(xù)航能力。 依此方案設(shè)計的機器人分配為：兩邊的主轉(zhuǎn)動輪為 2 自由度；兩條擺臂車輪轉(zhuǎn)動為 2 自由度；兩擺臂各自的擺動為 2 自由度。這樣機器人總共需要6 自由度，需要 6 個電機，由于機器人尺寸、總質(zhì)量、驅(qū)動功率以及防爆要求等限制，必需在不影響機器人運動能力的前提下，盡可能的減少電動機的數(shù)量。因此，將主轉(zhuǎn)動輪的驅(qū)動用 2 個自 由度，把兩個擺臂連成一體共用 1個自由度，這樣機器人共有 3 個自由度，需要 3 個驅(qū)動電動機。機身結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 圖 31 機身總體結(jié)構(gòu)圖 中國礦業(yè)大學(xué) 09 屆本科生畢業(yè)設(shè)計論文 第 14 頁 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 主傳動機構(gòu)是由驅(qū)動電機、圓柱齒輪副、星齒輪減速器和鏈傳動組成，主傳動機構(gòu)系統(tǒng)如圖 32 所示： 圖 32 主傳動機構(gòu)圖 備注 ： 1 驅(qū)動電動機， 2 傳動大齒輪， 3 電機固定板， 4 傳動小齒輪， 5 行星減速器，6 鏈輪。 主傳動系統(tǒng)中驅(qū)動電機 1 經(jīng)過圓柱齒輪副 2 和行星齒輪減速器 5 將驅(qū)動動力傳給 鏈輪 6。 然后鏈輪 6 再把動力傳遞給輪邊的鏈輪。 擺臂方案設(shè)計 在機器人的兩個 前臂運動單元中，除了鏈輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動外，還有擺臂的擺動。如圖 33 所示： 中國礦業(yè)大學(xué) 09 屆本科生畢業(yè)設(shè)計論文 第 15 頁 圖 33 擺臂機構(gòu)圖 備注： 1 小齒輪， 2 電機安裝底座， 3 電機， 4 軸承套， 5 擺臂， 6 鏈輪， 7 大齒輪，8 軸承， 9 傳動軸。 電機 3 經(jīng)過小齒輪將驅(qū)動動力傳給大齒輪 7，大齒輪 7 通過螺栓聯(lián)接將動力傳給擺臂，從而實現(xiàn)擺臂繞從動輪中心轉(zhuǎn)動。傳動軸 9 與大齒輪 7 之間有軸承連接兩個運動相互獨立，互不干涉。傳動軸 9 把動 力傳給鏈輪 6，鏈輪 6 與擺臂 5 的運動相互獨立。 機器人行走機構(gòu)具體設(shè)計 主傳動系統(tǒng)的具體設(shè)計 ⑴ 主電機功率估算 輪式煤礦救援 機器人設(shè)計數(shù)據(jù) ： ① 車體重量：車體 總重 310Kg ② 最高運行速度： 60m/min ③ 最大爬坡高度： 30176。 ④ 輪 與地面的摩擦系數(shù)： ⑤ 機器人工作阻力： 機器人的受力模型如圖 34 所示。 中國礦業(yè)大學(xué) 09 屆本科生畢業(yè)設(shè)計論文 第 16 頁 圖 34 機器人受力分析模型 GF? uG ?? 30c os60c os ? = 1310 2?? 3310 ? ? ? ?