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河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
煤礦災(zāi)害尤其是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后,礦井環(huán)境十分復(fù)雜,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。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)創(chuàng)性的可攜帶、抗一定沖擊的履帶移動(dòng)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(guò)在移動(dòng)系統(tǒng)上加載不同的模塊，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(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(kāi)發(fā)出更多使用功能的搜救機(jī)器人。
本研究所設(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(lái)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(guò)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)，本論文對(duì)上述各部分方案分別進(jìn)行論證、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、3D建模，并設(shè)計(jì)了搜救機(jī)器人虛擬樣機(jī)。
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)；
Abstract
Coal mine disasters,especially gas and coal dust explosion, mine environment is very complex and wounded tolls mine face extremely dangerous conditions,be transferred as soon as possible and rescue.and rescue work extremely difficult and dangerous, often resulting in the rescue work in the ambulance casualties.R & D to replace or partially replace the ambulance personnel in a timely manner, quick in-depth environmental exploration and mine disaster relief robot search and rescue work is extremely important
The purpose of this thesis is to design novel structure, its unique portable,shock 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 modules, search and rescue robots can be achieved using different functions, this study is 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 developsearch 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, part of the paper on the above programs were carried out feasibility studies, structural designcalculation, 3D modeling , and design a rescue robot prototype.
Key words: search and rescue robots; composite mobile body; modular design
iii
目 錄
前 言 1
1 緒 論 3
1.1 課題研究背景及意義 3
1.1.1 課題研究背景 3
1.1.2 課題研究意義 3
1.2 國(guó)內(nèi)外的研究概況 5
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 5
2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 10
1.2.3 發(fā)展趨勢(shì) 11
2 搜救機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 12
2.1 井下復(fù)雜環(huán)境對(duì)救災(zāi)機(jī)器人的要求 12
2.2 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案論證分析 13
2.2.1 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 13
2.2.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 14
2.2.3 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 15
2.2.4 履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 16
2.2.5 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較 17
2.3 本研究采用的行走機(jī)構(gòu) 17
2.4 救災(zāi)機(jī)器人性能指標(biāo)與設(shè)計(jì) 18
2.5 本章小結(jié) 19
3礦用搜救機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 20
3.1機(jī)器人越障分析 20
3.1.1機(jī)器人跨越臺(tái)階 20
3.1.2跨越溝槽 21
3.2斜坡運(yùn)動(dòng)分析 22
3.3 本章小結(jié) 23
4機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì) 24
4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選則 24
4.1.1基于平地的最大速度的電機(jī)功率計(jì)算 24
4.1.2爬坡最大坡度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算 25
4.2 本章小結(jié) 26
5 驅(qū)動(dòng)輪減速器設(shè)計(jì) 27
5.1減速器方案分析 27
5.1.1減速器應(yīng)滿足的要求 27
5.1.2 減速器方案分析 27
5.2 減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 29
5.2.1減速器的傳動(dòng)方案分析 29
5.2.2配齒計(jì)算 29
5.2.3初步計(jì)算齒輪的主要參數(shù) 30
5.2.4裝配條件的計(jì)算 34
5.2.5高速級(jí)齒輪強(qiáng)度的驗(yàn)算 35
5.2.6 軸的設(shè)計(jì)及校核 44
5.3 本章小結(jié) 46
6移動(dòng)機(jī)構(gòu)履帶及翼板部分設(shè)計(jì) 47
6.1履帶的選擇 47
6.1.1 確定帶的型號(hào)和節(jié)距 48
6.1.2確定主從動(dòng)輪直徑 48
6.1.3確定節(jié)線長(zhǎng)度和帶寬 49
6.2 翼板部分設(shè)計(jì) 51
6.3 本章小結(jié) 51
7機(jī)器人搖臂的設(shè)計(jì) 52
7.1 搖臂作用概述 52
7.2搖臂傳動(dòng)減速器設(shè)計(jì) 53
7.3本章小結(jié) 55
8 總結(jié)與展望 56
致 謝 58
參考文獻(xiàn) 59
前 言
我國(guó)的煤炭資源十分豐富，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70%左右，預(yù)計(jì)到2050年還將占50%以上，因此，在未來(lái)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(lái)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(wàn)噸死亡率為2.00；2007年全國(guó)礦難死亡1600人，百萬(wàn)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(wàn)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(lèi)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(guò)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(wàn)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(wú)法知道能否進(jìn)入或無(wú)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(mén)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(guò)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(jiàn)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。
1 緒 論
1.1 課題研究背景及意義
1.1.1 課題研究背景
我國(guó)是世界上災(zāi)害、事故發(fā)生次數(shù)最多的國(guó)家之一，地震、火災(zāi)、塌方、以及各類(lèi)人為事故，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的危害。災(zāi)害發(fā)生后，如何及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)被困幸存者并實(shí)施快速的救援是災(zāi)后應(yīng)急救援的頭等大事。
然而復(fù)雜危險(xiǎn)的災(zāi)后環(huán)境常常會(huì)給救援工作帶來(lái)困難。危險(xiǎn)物質(zhì)、大火、易燃易爆氣體、不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)等等危險(xiǎn)因素的存在，時(shí)常威脅到救援隊(duì)員的生命安全，阻礙救援工作的快速展開(kāi)。如何能夠在最少人員傷亡前提下快速高效地開(kāi)展搜索救援工作一直是我們重點(diǎn)研究的問(wèn)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(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)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(guò)無(wú)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(lái)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(lái)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(wàn)噸死亡率為2.00；2007年全國(guó)礦難死亡1600人，百萬(wàn)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(wàn)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(lèi)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(guò)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(wàn)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(kāi)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(wú)法知道能否進(jìn)入或無(wú)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(mén)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(guò)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(jiàn)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。
1.2 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(lèi)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(kāi)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(wú)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(wú)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(guò)一個(gè)鉆出的小洞鉆進(jìn)礦井，越過(guò)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。
下圖為美國(guó)及其它國(guó)家在研的各種履帶式可變形機(jī)器人：
如圖1-1,1-2所示，這是美國(guó)iRobot的一種較小型“PackBot”機(jī)器人，現(xiàn)服役于美國(guó)軍隊(duì)，這個(gè)“PackBot”搭配了一個(gè)爆炸物感應(yīng)系統(tǒng)，有效地探測(cè)炸彈。目前這種測(cè)試系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)階段?！癙ackBot”機(jī)器人還以進(jìn)行挖掘和拆彈工作。配備了稱(chēng)為“explosive ordnance disposal”(eod)和工程師的全套工具，可以對(duì)土壤進(jìn)行挖掘，然后舉起相當(dāng)于自身重量2倍的炸彈。
圖1-2這種iRobot SUGV的機(jī)器人是一種小型地面探測(cè)車(chē)，重量?jī)H為30磅。它帶有一個(gè)稱(chēng)為“tactical head”的頭部，還有一個(gè)相機(jī)、一個(gè)紅外感應(yīng)器和一個(gè)可即時(shí)傳送影像的攝像頭。
圖1-1 RackBot準(zhǔn)備展開(kāi)
圖1-2 SUGV機(jī)器人
Foster-miller公司研制了Talon機(jī)器人，該機(jī)器人采用履帶方式行進(jìn)，內(nèi)部裝備有兩臺(tái)普通直流電機(jī)，電機(jī)通過(guò)兩根鏈條帶動(dòng)履帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；另外機(jī)器人前后履帶輪中間安裝有一小型承重輪，該輪不僅能承載一部分負(fù)荷同時(shí)也能在機(jī)器人轉(zhuǎn)向時(shí)起到支撐作用，減少履帶與地面之間的摩擦，提高機(jī)器人轉(zhuǎn)向能力。Talon機(jī)器人可以完成各種偵察、巡邏工作。機(jī)器人外形參數(shù)尺寸為86.4cm×57.2cm×27.9 cm，重約39Kg，能潛水30.5m，爬45度斜坡。
圖1-3 Talon機(jī)器人
2003年，澳大利亞SIMTARS煤礦研究人員與美國(guó)機(jī)器人輔助救援中心(CRASAR)合作，開(kāi)發(fā)了一個(gè)煤礦災(zāi)害搜救機(jī)器人，并在澳大利亞昆士蘭州的15米地下訓(xùn)練場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)。這個(gè)機(jī)器人專(zhuān)門(mén)是為礦山災(zāi)害而研制。它的尺寸大小像一個(gè)蜂蜜罐子，它可以通過(guò)地面的鉆孔進(jìn)入煤礦井下然后爬過(guò)障礙物和泥漿，利用傳感器搜尋被困礦工，探測(cè)有毒或者可燃性氣體，還可以將地面供氣供水軟管拖到被困礦工身邊，給他們新鮮的空氣和水。這種機(jī)器人在通過(guò)鉆孔時(shí)像一條蛇一樣將自己擠過(guò)巖石，一旦到達(dá)井下地面，就會(huì)像一個(gè)小型坦克一樣行動(dòng)，搜尋被困礦工。CRASAR希望能夠進(jìn)一步為該機(jī)器人添加新型的醫(yī)學(xué)傳感器，讓救援義務(wù)人員能夠通過(guò)觀看、交談、診斷的方式來(lái)了解被困礦工的健康狀況。
Inuktun公司推出的UGTV機(jī)器人具有獨(dú)特履帶可變形功能(如圖1-4所示)，可以輔助攀爬和擴(kuò)大機(jī)器人視野，曾在“911”事件的搜救任務(wù)中大顯身手；加拿大Sherbrook大學(xué)研制的AZIMUT機(jī)器人(如圖1-5所示)，該機(jī)器人采用輪、履、腿復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有四個(gè)履腿模塊，每個(gè)履腿模塊與本體相連接時(shí)有3個(gè)自由度，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能多樣，越障能力強(qiáng)，上下臺(tái)階方便；但結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，僅電機(jī)就有12個(gè)，運(yùn)動(dòng)控制困難，該機(jī)器入主要用于室內(nèi)環(huán)境執(zhí)行反恐、排爆任務(wù)。
圖1-4 UGTV機(jī)器人 圖1-5 AZIMUT機(jī)器人
僅在一兩年前，德國(guó)公司出品了一款防爆機(jī)器人，現(xiàn)在2006年的新一代機(jī)器人已經(jīng)上市了，其結(jié)構(gòu)比以前的更加輕便，體積更小。這款機(jī)器人依靠一個(gè)靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機(jī)器人一樣的功能。
這款機(jī)器人依靠一個(gè)靈活的小型系統(tǒng)從而有了一些與大型機(jī)器人類(lèi)似的功能，所以它小得以至于可以在地鐵車(chē)廂或者飛行工具里操作，同時(shí)又足夠大得可以直接處理一些在所有現(xiàn)行飛機(jī)的頭頂貯藏室里的可疑項(xiàng)目處理。
圖1-6 telemax
這款產(chǎn)品具有很大的創(chuàng)新價(jià)值，經(jīng)過(guò)數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)的累計(jì)取得了變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重大發(fā)展。
圖1-7 telemax行走姿勢(shì)
它的機(jī)械結(jié)構(gòu)由4個(gè)獨(dú)立履帶齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)提供了非凡的移動(dòng)力，它可以爬坡45度，并且可以越障500mm的高度，它做的比其它很多類(lèi)似機(jī)器人都好，它的可伸展的上臂加上一個(gè)高度可調(diào)的地盤(pán)，給予了這款機(jī)器人一個(gè)可達(dá)到的非凡的垂直高度2350mm。它的鉗子可以吊起重達(dá)5Kg的貨物，這就意味著它可以裝配彈道系統(tǒng)和其它工具。
圖1-8 telemax防爆機(jī)器人
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(lái)引起了越來(lái)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。
圖1-9CUMT-1型礦井搜救機(jī)器人
1.2.3 發(fā)展趨勢(shì)
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(wú)法滿足高精度定位需要，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
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(chē)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?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(jiàn)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(chē)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(wú)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(jiàn)度低，對(duì)照明產(chǎn)生一定影響。
（4） 能源使用井下專(zhuān)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(guò)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(jué)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)?？刂频慕嵌瓤?，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(lái)緩解該類(lèi)情況的出現(xiàn)，如采用不同種類(lèi)的款式輪胎以提高其越野能力，象沙漠車(chē)輛、山地車(chē)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：
(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(lèi)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(guò)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(lèi)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
2.2.3 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(chē)體左右布置或者車(chē)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(guò)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
2.2.4 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(guò)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(wú)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(chē)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(wèn)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(chē)體固定而是能繞車(chē)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(chē)輪式，履帶式、腿足式移動(dòng)系統(tǒng)性能比較見(jiàn)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
控制難易
易
一般
復(fù)雜
2.3 本研究采用的行走機(jī)構(gòu)
本文提出來(lái)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(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)兩側(cè)履帶與車(chē)身約束關(guān)系來(lái)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(guò)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
2.4 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)。
總體設(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(chē)體寬度)=500mm。車(chē)體質(zhì)量為50kg,擺臂質(zhì)量不超過(guò)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：
圖2-5
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(jiàn)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。
3礦用搜救機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1機(jī)器人越障分析
3.1.1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(guò)臺(tái)階的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就跨過(guò)了臺(tái)階完成爬越動(dòng)作。
（2）越障過(guò)程分析
煤礦井下搜救機(jī)器人爬越臺(tái)階的過(guò)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(guò)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(chē)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(guò)程
由運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)臺(tái)階邊緣，機(jī)器人才能成功的越過(guò)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：
（1）
變換式（1）可得： （2）
（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(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(chē)體內(nèi)，當(dāng)機(jī)器人重心越過(guò)下一個(gè)溝槽的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就越過(guò)了溝槽，完成了跨越動(dòng)作。也可能由于重心未能過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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： （4）
在角度為的斜坡圖3-3(b)上跨越溝槽的寬度： （5）
3.2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： （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：（7）
當(dāng)時(shí)，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。
當(dāng)時(shí)，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: （8）
爬坡時(shí)克服摩擦力所需的最大加速度為：
（9）
通過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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300mm：最大跨溝寬度為500mm。
4機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)
4.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選則
4.1.1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)，前進(jìn)時(shí)不考慮空氣阻力的影響。如下圖所示：
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：
則，移動(dòng)機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)的平衡方程為：
則，
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(guò)減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為：
4.1.2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(guò)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)。
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。在行駛過(guò)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：
機(jī)器人爬坡受力圖
爬坡的平衡方程為：
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(guò)減速器后所需提供的轉(zhuǎn)速為：n==11.94
4.2 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。
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：=53.8W
則所需電機(jī)的輸出功率為：=88.19W
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，將動(dòng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速減低到所需的轉(zhuǎn)速，同時(shí)扭矩達(dá)增大到所需的扭矩。本機(jī)構(gòu)采用二級(jí)減速器，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器的實(shí)現(xiàn)減速、增大轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)安裝在減速器前端，通過(guò)錐齒輪改變軸的方向，輸出履帶驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，為復(fù)雜狀況下救災(zāi)機(jī)器人提供主要?jiǎng)恿Α?
5.1減速器方案分析
5.1.1減速器應(yīng)滿足的要求
（1）目前大部分的煤礦都處于深井開(kāi)采，深度大都為數(shù)百米，甚至上千米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)深于恒溫帶的深度，隨著深度的增加，地溫逐漸升高，造成地下溫度很高。減速器必須滿足在高溫下工作要求；
（2）我國(guó)開(kāi)采的礦井，大部分都為高瓦斯礦井，井內(nèi)充滿了濃厚的瓦斯。減速器應(yīng)有隔爆防爆的作用；
（3）搜救機(jī)器人的行駛路況復(fù)雜，在行駛過(guò)程的啟動(dòng)、停止、前進(jìn)與后退換向頻繁。其載重較大，要有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)平穩(wěn)，換向靈敏；
（4）搜救機(jī)器人遙控操作，電動(dòng)機(jī)用蓄電池提供能源。體積要小，重量要輕。
5.1.2 減速器方案分析
減速器的種類(lèi)很多，按照傳動(dòng)類(lèi)型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星減速器以及它們互相組合起來(lái)的減速器；按照傳動(dòng)級(jí)數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐---圓柱齒輪減速器；按照傳動(dòng)的布置形式由可以分為展開(kāi)式、分流式和同軸式減速器。
（1） 展開(kāi)式齒輪減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但齒輪相對(duì)于軸承的位置不對(duì)稱(chēng)，因此要求軸有較大的剛度。高速級(jí)齒輪布置在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)矩輸入端，這樣，軸在轉(zhuǎn)矩的作用下產(chǎn)生的扭矩變形和在載荷作用下軸產(chǎn)生的彎曲變形可部分的互相抵消，以減緩沿齒寬載荷分布不均勻的現(xiàn)象。用于載荷比較平衡的場(chǎng)合。
（2） 同軸式齒輪減速器橫向尺寸較小，兩對(duì)齒輪侵入油中深度大致相同。但軸向尺寸和重量較大，且中間軸較長(zhǎng)、剛度差，沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難以充分利用，適合小型、微型機(jī)械適用。
（3） 蝸輪蝸桿減速機(jī)的主要特點(diǎn)是具有反向自鎖功能，可以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同一平面上。但是一般體積較大，傳動(dòng)效率不高，精度不高。
（4） 行星減速器其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長(zhǎng)，額定輸出扭矩可以做的很大，但價(jià)格略貴。另外行星減速箱，有平齒和斜齒2種，精度和價(jià)格都有不同。
（5） 諧波減速器的諧波傳動(dòng)是利用柔性元件可控的彈性變形來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，體積不大、精度很高，但缺點(diǎn)是柔輪壽命有限、不耐沖擊，剛性與金屬件相比較差，輸入轉(zhuǎn)速不能太高，價(jià)格較高。
根據(jù)復(fù)雜路況下搜救機(jī)器人的行駛速度及各項(xiàng)工作要求，綜合各種減速器的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用二級(jí)減速傳動(dòng)，依傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，又根據(jù)減速箱空間的限制采用二級(jí)行星齒輪減速器。
5.2 減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.2.1減速器的傳動(dòng)方案分析
根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求可知，該行星輪減速器傳遞功率高，傳動(dòng)比較大，工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。故采用雙級(jí)行星齒輪傳動(dòng)。2K-H型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，適用于任何情況下的大小功率的傳動(dòng)。選用由兩個(gè)2X-A型行星齒輪傳動(dòng)串聯(lián)而成的雙級(jí)行星齒輪減速器較為合理，名義傳動(dòng)比可分為進(jìn)行傳動(dòng)。
5.2.2配齒計(jì)算
根據(jù)2K-H型行星齒輪傳動(dòng)比的值和按其配齒計(jì)算公式，可按第一級(jí)傳動(dòng)的內(nèi)齒，行星齒輪的齒數(shù)。先考慮到該行星齒輪傳動(dòng)的外廓尺寸，故選取第一級(jí)中心齒輪數(shù)為23和行星齒輪數(shù)為。根據(jù)內(nèi)齒輪，則。
對(duì)內(nèi)齒輪齒數(shù)進(jìn)行圓整后，此時(shí)實(shí)際的P值與給定的P值稍有變化，但是必須控制在其傳動(dòng)比誤差范圍內(nèi)。實(shí)際傳動(dòng)比為:
6
其傳動(dòng)比誤差
根據(jù)同心條件可得行星輪的齒數(shù)為
所求的適用于非變位或高度變位的行星齒輪傳動(dòng)。再考慮到安裝條件為：
（整數(shù)）
第二級(jí)傳動(dòng)比為6，選擇中心齒數(shù)和行星齒輪數(shù)目與第一級(jí)相同，則。
5.2.3初步計(jì)算齒輪的主要參數(shù)
齒輪材料和熱處理的選擇：中心齒輪和中心齒輪，以及行星齒輪和均采用20CrMnTi,滲碳后淬火，淬透性不錯(cuò)，耐低溫沖擊，能夠滿足要求。齒面硬度為58-62HRC,查《行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》可知，取，，中心齒輪加工精度為6級(jí)，高速級(jí)與低速級(jí)的內(nèi)齒輪均采用42CrMo,這種材料經(jīng)過(guò)正火和調(diào)質(zhì)處理，以獲得相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和硬度等力學(xué)性能，調(diào)質(zhì)硬度為217-259HRC，取，，輪和的加工精度為7級(jí)。
高速齒輪的模數(shù)m
按彎曲強(qiáng)度的初算公式，為
現(xiàn)已知。中心齒輪的名義轉(zhuǎn)矩為Nm,取算式系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊(cè)》系數(shù)，查得；取接觸強(qiáng)度計(jì)算的行星齒輪間載荷分布不均勻系數(shù)，由公式可得,查得齒形系數(shù),齒寬系數(shù)，則所得的模數(shù)m為：
取齒輪模數(shù)為=0.4mm
低速級(jí)得齒輪模數(shù)m
取彎曲強(qiáng)度的初算公式，計(jì)算低速級(jí)的齒輪的模數(shù)m為，現(xiàn)已知，，中心齒輪的名義轉(zhuǎn)矩，取算式系數(shù)，使用系數(shù)，綜合系數(shù)，取接觸強(qiáng)度計(jì)算的行星齒輪間載荷分布不均勻系數(shù)，由公式可得，查表得齒形系數(shù)，齒寬系數(shù)，則所得的模數(shù)m為：
mm
取齒輪模數(shù)為mm
嚙合參數(shù)計(jì)算:
高速級(jí)
在兩個(gè)嚙合齒輪副中-，中，其標(biāo)準(zhǔn)中心距a為
13.8mm
mm
低速級(jí)：在兩個(gè)嚙合齒輪副中中，其標(biāo)準(zhǔn)中心距a為
mm
mm
由此可見(jiàn)，高速級(jí)和低速級(jí)得標(biāo)準(zhǔn)中心距均相等。因此次行星齒輪傳動(dòng)滿足非變位的同心條件，但是在行星輪傳動(dòng)中，采用高度可以避免跟切，減少機(jī)構(gòu)的尺寸和質(zhì)量，還可以改善齒輪副的磨損情況以及提高承載能力。
幾何尺寸的計(jì)算
高速級(jí)：分度圓直徑d
基圓直徑
齒頂圓直徑
齒頂高：外嚙合
內(nèi)嚙合
齒根圓直徑
齒根高
高速級(jí)
太陽(yáng)輪
行星輪
內(nèi)齒圈
模數(shù)m
0.4
0.4
0.4
齒數(shù)z
23
46
115
分度圓直徑d
9.2
18.4
46
齒頂圓直徑
10.4
19.2
45.28
齒根圓直徑
8.6
17.4
47
低速級(jí)：分度圓直徑d
基圓直徑
齒頂圓直徑
齒頂高：外嚙合
內(nèi)嚙合
齒根圓直徑
齒根高
低速級(jí)
太陽(yáng)輪
行星輪
內(nèi)齒圈
模數(shù)m
0.6
0.6
0.6
齒數(shù)z
23
46
115
分度圓直徑d
13.8
27.6
69
齒頂圓直徑
15
28.8
68.28
齒根圓直徑
12.3
26.1
70.5
5.2.4裝配條件的計(jì)算
對(duì)設(shè)計(jì)的齒輪副應(yīng)滿足以下條件的計(jì)算：
1. 鄰接條件
在行星輪傳動(dòng)中，為保證兩相鄰行星輪的齒頂不致相碰，相鄰兩行星輪的中心距應(yīng)大于兩齒頂圓半徑之和，由公式驗(yàn)算其鄰接條件
（為行星輪的直徑，a為中心距）高速級(jí)：18.4＜2×13.8×0.865=23.87
低速級(jí)：27.6＜2×20.7×0.865=35.81故滿足鄰接條件。
2.同心條件
按公式對(duì)于高度變位有，已知高速級(jí)，滿足公式則滿足同心條件。低速級(jí)與高速級(jí)齒數(shù)相同，故滿足條件。
3.安裝條件
按公式驗(yàn)算安裝條件，即得
(C為整數(shù))
即都滿足裝配條件。
5.2.5高速級(jí)齒輪強(qiáng)度的驗(yàn)算
由于該行星輪傳動(dòng)具有長(zhǎng)期有效間斷工作的特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，外輪廓尺寸較小的特點(diǎn)，因此應(yīng)按齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算。
齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核由公式可驗(yàn)算：
式中 —區(qū)域系數(shù)；
__彈性影響系數(shù)；
—螺旋角系數(shù)，直齒輪為1；
—重合度系數(shù)；
-齒寬，齒輪副中的較小齒寬；
—小齒輪分度圓直徑；
—許用應(yīng)力；
U—齒數(shù)比；
齒輪副中：
許用接觸應(yīng)力的計(jì)算：
由機(jī)械零件查得；
選取安全系數(shù)
故
又查得；
由于螺旋角，由機(jī)械零件得;
直齒輪螺旋角系數(shù)；
重合度系數(shù)；；齒寬b=3;
故161MPa<。
故滿足強(qiáng)度要求。
齒輪副中：
許用接觸應(yīng)力的計(jì)算：
由機(jī)械零件查得；
選取安全系數(shù)
故
又查得；
由于螺旋角，由機(jī)械零件得;
直齒輪螺旋角系數(shù)；
重合度系數(shù)；5；齒寬b=4;
故310MPa<。
故滿足強(qiáng)度要求。
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核由公式可驗(yàn)算：
式中 齒根危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力；
載荷系數(shù)；
齒形系數(shù)；
應(yīng)力校正系數(shù)。
齒輪副：
計(jì)算載荷系數(shù)K：
式中 K-載荷系數(shù)；
-使用系數(shù)；
-動(dòng)載系數(shù)；
-齒間載荷分配系數(shù)；
-齒間載荷分布系數(shù)。
由《機(jī)械零件》可查得取=1;
根據(jù)V=1.2，可得;
查《機(jī)械零件》可得,，故。
由《機(jī)械零件》得齒形系數(shù)：，得齒形修正系數(shù)；
許用應(yīng)力的計(jì)算：
由《機(jī)械零件》得，,安全系數(shù)s=1.25,故。
因此彎曲疲勞強(qiáng)度：
109M,
132Mpa<
故彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。
齒輪副：
計(jì)算載荷系數(shù)K：
由《機(jī)械零件》查得,根據(jù)v=0.58，對(duì)稱(chēng)支撐；
由《機(jī)械零件》取得,故。查得齒形系數(shù);
應(yīng)力系數(shù)；
許用應(yīng)力的計(jì)算：
由《機(jī)械零件》得；
由《機(jī)械零件》得
由《機(jī)械零件》取彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)S=1.25；
；
因此彎曲疲勞強(qiáng)度
129Mpa<
所以彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。
低速級(jí)齒輪強(qiáng)度的驗(yàn)算
由于該行星輪傳動(dòng)具有長(zhǎng)期有效間斷工作的特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，外輪廓尺寸較小的特點(diǎn)，因此應(yīng)按齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算。
齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核由公式可驗(yàn)算：
式中 —區(qū)域系數(shù)；
__彈性影響系數(shù)；
—螺旋角系數(shù)，直齒輪為1；
—重合度系數(shù)；
-齒寬，齒輪副中的較小齒寬；
—小齒輪分度圓直徑；
—許用應(yīng)力；
U—齒數(shù)比；
齒輪副中：
許用接觸應(yīng)力的計(jì)算：
由機(jī)械零件查得；
選取安全系數(shù)
故
又查得；
由于螺旋角，由機(jī)械零件得;
直齒輪螺旋角系數(shù)；
重合度系數(shù)；；齒寬b=4.3;
故183MPa<。
故滿足強(qiáng)度要求。
齒輪副中：
許用接觸應(yīng)力的計(jì)算：
由機(jī)械零件查得；
選取安全系數(shù)
故
又查得；
由于螺旋角，由機(jī)械零件得;
直齒輪螺旋角系數(shù)；
重合度系數(shù)；5；齒寬b=5.5;
故352MPa<。
故滿足強(qiáng)度要求。
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核由公式可驗(yàn)算：
式中 齒根危險(xiǎn)截面的彎曲應(yīng)力；
載荷系數(shù)；
齒形系數(shù)；
應(yīng)力校正系數(shù)。
齒輪副：
計(jì)算載荷系數(shù)K：
式中 K-載荷系數(shù)；
-使用系數(shù)；
-動(dòng)載系數(shù)；
-齒間載荷分配系數(shù)；
-齒間載荷分布系數(shù)。
由《機(jī)械零件》可查得取=1;
根據(jù)V=1.2，可得;
查《機(jī)械零件》可得,，故。
由《機(jī)械零件》得齒形系數(shù)：，得齒形修正系數(shù)；
許用應(yīng)力的計(jì)算：
由《機(jī)械零件》得，,安全系數(shù)s=1.25,故。
因此彎曲疲勞強(qiáng)度：
127M,
143Mpa<
故彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。
齒輪副：
計(jì)算載荷系數(shù)K：
由《機(jī)