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河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
摘 要
本論文研究工作的目的是設計結構新穎、具有獨創(chuàng)性的可攜帶、抗一定沖擊的履帶移動機器人，以能夠適應在惡劣環(huán)境和復雜路況下工作。通過在移動系統(tǒng)上加載不同的探測傳感設備，能夠?qū)崿F(xiàn)搜救機器人不同的使用功能，本研究意義在于為后續(xù)設計的搜救機器人提供一個基礎的動力平臺，以便于能夠開發(fā)出更多使用功能的搜救機器人。
本研究所設計的搜救機器人移動方案是履帶式驅(qū)動結構。該方案采用模塊化設計，便于拆卸維修，可以適應不同情況的復雜路面，并可主動控制兩側(cè)肋板的轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)機器人姿態(tài)變化，輔助爬坡、越障和跨溝；機器人經(jīng)過合理的結構布局和設計后具有良好的環(huán)境適應能力、機動能力。本論文所設計主的機器人移動機構主要由四部分組成：主動輪減速驅(qū)動機構、肋板轉(zhuǎn)動機構、擺臂減速器機構、履帶及履帶輪運動機構。
關鍵字：搜救機器人；擺臂，履帶式 減速器
Abstract
The purpose of this thesis is to design novel structure, its unique portable,shoc-k 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 mo-ules, search and rescue robots can be achieved using different functions, this studyis 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 developsear-ch 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.
Key words: search and rescue robots; swing arm;crawler;
Retarder;
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目錄
前 言................................................3
1 緒 論..............................................7
1.1課題研究背景及意義...............................7
1.1.1 課題研究背景..............................7
1.1.2 課題研究意義..............................8
1.2國內(nèi)外的研究概況.................................9
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀..............................9
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀.............................14
1.2.3 搜救機器人的技術發(fā)展方向.................17
2 搜救機器人的移動機構分析...........................21
2.1井下復雜環(huán)境對搜救機器人的要求..................21
2.2移動機構方案論證分析............................22
2.2.1 輪式移動機構特點.........................22
2.2.2 腿式移動機構特點.........................23
2.2.3 履帶式移動機構特點.......................24
2.2.4 履、腿式移動機構特點.....................25
2.2.5 輪、履、腿式移動機構性能比較.............26
2.3 本研究采用的行走機構...........................26
2.4 救災機器人性能指標與設計.......................27
2.5 本章小結.......................................28
3 搜救機器人運動參數(shù)設分析計算.......................29
3.1 機器人越障分析.................................29
3.1.1 機器人跨越臺階...........................30
3.1.2 機器人刮越溝壑...........................32
3.2 斜坡運動分析...................................33
3.3 本章小結.......................................34
4 擺臂減速去設計.....................................35
4.1 擺臂電機選擇...................................35
4.2 擺臂減速器設計.................................35
4.2.1 減速器方案對比分析...................... 35
4.2.2 減速器應滿足要求.........................37
4.3 擺臂減速器設計計算.............................37
4.3.1 擺臂減速器的參數(shù)計算.....................37
4.3.2 擺臂減速器的齒輪計算.....................39
4.3.3 軸的設計.................................43
4.4 本章小結.......................................47
5 履帶的設計計算.....................................49
5.1 帶的選擇.......................................49
5.2 計算帶的型號和節(jié)距.............................50
5.3 計算主從動輪直徑...............................51
5.4 本章小結.......................................52
6 擺臂結構設計.......................................53
6.1 擺臂作用.......................................54
6.2 肋板部分設計...................................56
6.3 擺臂參數(shù)計算...................................58
7 總結與展望..........................................59
致謝................................................61
參考文獻............................................62
前 言
我國的煤炭資源十分豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國。在我國的能源工業(yè)中，煤炭占我國一次能源生產(chǎn)和消費結構中的70%左右，預計到2050年還將占50%以上，因此，在未來相當長的時間內(nèi)，煤炭仍然是我國的主要能源，由于我國礦井自然條件差，加上技術和管理等諸多方面不到位，以及近年來國家對煤炭資源需求量的不斷增長，使得我國煤礦礦井災害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重。據(jù)統(tǒng)計，2006年我國礦難死亡1517人，百萬噸死亡率為2.00；2007年全國礦難死亡1600人，百萬噸死亡率為2.1；2008年全國煤礦發(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年全國安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示2009全國共發(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年全國煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴峻，目前我國煤礦事故死亡人數(shù)遠遠超過世界其他產(chǎn)煤國家煤礦死亡人數(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，煤礦安全形勢已經(jīng)十分嚴峻。
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)生二次災害的可能，救護人員無法知道能否進入或無法直接進入災害現(xiàn)場執(zhí)行營救任務，上述事故中的傷亡人員有相當一部分是救護人員，如陜西黃陵礦業(yè)公司一號煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，2名救護隊員在井下不慎滑倒，將呼吸機鼻夾摔脫落，導致一氧化碳中毒死亡；2005年澠池縣趙溝八礦井下突然起火，三門峽市礦山救護隊接報后立即趕到現(xiàn)場救災，在救火過程中，突發(fā)瓦斯爆炸，4名救護隊員殉職； 2006 年六枝工礦集團公司救護大隊的救護隊員在井下實施封閉火區(qū)措施時，火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，造成8名救護隊員死亡。
由此可見研發(fā)代替或部分代替救護人員的救災機器人及時、快速深入礦井災區(qū)進行環(huán)境探測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人員進入災區(qū)，進行環(huán)境探測，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區(qū)的通風狀況的參數(shù)，還應包括生命和圖像等信息，為救災決策提供重要參考。
礦山井下環(huán)境對礦工搜尋機器人的要求
井下失蹤礦工搜尋機器人是一種自主式移動機器人，它的設計首先要滿足井下工作環(huán)境的特殊要求，其次要具備快速搜尋并且準確定位井下失蹤人員的功能，再就是要具有簡單的急救功能，如攜帶少量的水、食品、藥品、包扎物，播放音樂等。與地面環(huán)境相比，煤礦井下環(huán)境復雜，特別是事故剛剛發(fā)生后的井下條件更為惡劣。
1．井下地形
礦井下地形復雜，環(huán)境惡劣。通常情況下，礦井主巷道和主支巷道的路面平坦堅硬但凹處多積水，路面上有礦車鐵軌、水溝、風管、線纜等障礙物?？拷ぷ髅娴男∠锏缆访娌黄?、多有坡度。工作面處的路面坡度較大，積有大量的碎煤、支撐物、滑道等障礙。災害發(fā)生后，脫落的頂板、煤石、煤塊等，會形成新的不規(guī)則障礙物，這就要求井下機器人要有較強的越障和避障能力。復雜的路況還可能會使機器人發(fā)生履帶單元局部故障、失去牽引力、零部件失效、傾翻、打滑、掉溝、陷入碎煤區(qū)等情況，這就需要機器人還具備一定的行駛功能恢復能力。發(fā)生局部故障后，剩下的正常驅(qū)動部件能使機器人繼續(xù)行走或返回基站。
2．井下氣候
井下氣候包括井下空氣的溫度、濕度、熱輻射和風速。正常通風情況下，井下溫度不超過30。C，井下空氣的成分中只含有少量有害氣體(CH。、CO、CO：等)。但井巷內(nèi)多有淋水，空氣濕度大，冬季的濕度也很大。災害發(fā)生后，井下氣候會發(fā)生明顯的變化，如氣體組分發(fā)生顯著變化，有害氣體含量增高，特別是瓦斯和粉塵濃度增大；災變區(qū)域范圍內(nèi)的井下空氣的溫度、濕度增加；井下通風系統(tǒng)故障停運或局部的風流速度及風量減少。
3．高瓦斯
由于事故后，井下通風系統(tǒng)常會受到破壞，瓦斯排放不及時，使瓦斯?jié)舛仍黾?，所以，瓦斯爆炸的危險也常常是影響救護隊員及時下井開展救護工作的一個主要因素。為此，礦工搜尋機器人的所有結構必須進行防爆設計，使它在高瓦斯的情況下能夠安全工作。
4．高溫
火災、煤塵瓦斯爆炸后積聚的熱量會在現(xiàn)場直至相鄰局部區(qū)域形成高溫，這些熱量在通風未恢復的情 況下會保持幾日，礦工搜尋機器人系統(tǒng)在井下溫度變化范圍內(nèi)要能可靠工作。
5．煤塵
正常情況下，井下的煤塵具有一定的濃度，并隨風向而流動。在事故發(fā)生后的有效救援時間內(nèi)，巷道內(nèi)仍會存在大量的煤塵。煤塵會進入運動副的表面，加劇軸承等零件的磨損，并且會附著在CCD光學傳感器、光源的表面上，影響機器人的壽命和搜尋精度。這就要求機器人零件密封、潤滑密封、并使用不易沾附灰塵的光學材料。
6．潮濕與積水
井下環(huán)境潮濕，事故發(fā)生后，井下排水系統(tǒng)可能受到破壞，即使恢復排水后也會造成巷道的高濕度，這就決定了機器人要在一個濕度大、路面濕滑并有凹處積水的潮濕環(huán)境里工作。
7．光照與煙霧
井下場所黑暗，機器人只有自帶光源，為其視覺系統(tǒng)提供足夠強度的照明光線。事故后往往煙霧充斥巷道和工作面，能見度低，對機器人的照明有一定的影響。
8．能源
機器人的能源采用無纜方式，使用井下專用蓄電池供電。考慮電源的功率、井下巷道和工作面空問的限制，并兼顧機器人行駛的平穩(wěn)性，應適當減小機器人本體的重量和體積。
9．通信
井下信號傳輸具有特殊性，井下煤層對信號的衰減能力非常強，信號傳播距離很短。迄今為止，井下海量數(shù)據(jù)的遠距離無線傳輸問題仍然沒有解決。因此，井下的特殊環(huán)境要求失蹤礦工搜尋機器人形體較小，運動靈活，能越障、越鐵軌和過水溝，通過狹小空間、碎煤和碎石區(qū)，有防爆、防水、耐高溫、視覺防塵等功能。在滿足井下工作環(huán)境特殊要求的基礎上，UMMMSR要具備快速搜尋和準確定位井下失蹤人員的功能，并有簡單的急救功能，如攜帶少量的水、食品、藥品、急救包、礦燈以及播放音樂等。
1 緒 論
1.1 課題研究背景及意義
1.1.1課題研究背景
人類在智慧上超出動物很多，但在特定環(huán)境的適應上就要比動物差很多。雖然人發(fā)明了很多的技術彌補了這一不足，但明顯可以看到，艦船的靈活性比不上魚類，飛機的靈活性比不上鳥類甚至昆蟲，車輛的地形適應性比不上四條腿的動物。搜救機器人的研究可以彌補我們這方面的不足，對社會產(chǎn)生大的經(jīng)濟效益。搜救機器人的研究可以滿足一些行業(yè)的需求。機器人由于其天生的多自由度，多冗余自由度，可以在狹小的空間內(nèi)穿梭，可以滿足在復雜環(huán)境中進行人類無法完成的搜救任務。
近幾年各種災害不斷的發(fā)生，各種災害發(fā)生后世界人名都積極投入到救災活動中。作為當代大學生對這些災難尤其關注，一些人立即奔赴災區(qū)，很多人捐款捐物。災難后總會看到有人被困在廢墟下，而外面的人卻一時無法將他們救出時，我們心里十分焦急，總在想：里面的人肯定受了重傷，也一定很餓，如果有個小型搜救器能迅速鉆到廢墟里，探明受傷人位置和情況，給他們送去急需的藥品和飲食該有多好啊?；谶@種想法，搜救機器人從此誕生了。然而我國在各種災害中，但據(jù)資料顯示，搜救機器人并未得到很好的利用，參加搜救的主要還是以消防官兵，搜救犬及支援人士。
地震、火災、礦難等災難發(fā)生后,在廢墟中搜尋幸存者,給予必要的醫(yī)療救助,并盡快救出被困者是救援人員面臨的緊迫任務。實際經(jīng)驗表明,超過48小時后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低。由于災難現(xiàn)場情況復雜,在救援人員自身安全得不到保證的情況很難進入現(xiàn)場開展救援工作的,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入。災難搜救機器人可以很好地解決上述問題。機器人可以在災難發(fā)生后第一時間進入災難現(xiàn)場尋找幸存者,對被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務,進入救援人員無法進入的現(xiàn)場搜集有關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,國內(nèi)外很多研究機構開展了大量的研究工作,可以在災難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機器人如可變形多態(tài)機器人、蛇形機器人等相繼被開發(fā)出來。
然而復雜危險的災后環(huán)境常常會給救援工作帶來困難。危險物質(zhì)、大火、易燃易爆氣體、不穩(wěn)定的結構等等危險因素的存在，時常威脅到救援隊員的生命安全，阻礙救援工作的快速展開。如何能夠在最少人員傷亡前提下快速高效地開展搜索救援工作一直是我們重點研究的問題。
本文提出的便攜式礦用救災機器人是一種質(zhì)量輕，易于單個救援人員背負，具有多種運動姿態(tài)和抗摔能力，采用履帶方式行進的微小型機器人系統(tǒng)。能夠適應礦井惡劣的災后環(huán)境，對非結構的地形環(huán)境具有良好的自適應能力，具備較好的越障能力和一定高度的抗摔能力。機器人可通過無線電信號進行遠程控制，并能夠加載各種偵測設備對未知環(huán)境進行先期探測并回傳井巷環(huán)境信息，為及時有效的救災提供決策參考。
1.1.2課題研究意義
煤礦作為最復雜、最危險的工作環(huán)境之一，在發(fā)生安全事故之后，常常會因為井下復雜危險的環(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)生了不良的社會影響。煤礦災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)生二次災害的可能，礦井環(huán)境十分復雜.。
由此可見研發(fā)代替或部分代替救護人員的救災機器人及時、快速深入礦井災區(qū)進行環(huán)境探測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人員進入災區(qū)，進行環(huán)境探測，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區(qū)的通風狀況的參數(shù)，還應包括生命和圖像等信息，為救災決策提供重要參考。
(1）課題研究的社會意義
搜救機器人的研究給搜救工作帶來很大的方便，在災難發(fā)生后，能夠快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，減少人員傷亡，失蹤等不幸事故，更好的為社會服務。
(2）課題研究的科學意義
搜救機器人的研發(fā)，在很大程度上彌補了廣茂達在搜救領域的不足，為后期更好的擴展，奠定了基礎。
1.2 國內(nèi)外研究情況
1.2.1國外研究情況
近十年來,美國、日本等西方發(fā)達國家在地震、火災等救援機器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災難現(xiàn)場救援的機器人。目前，在救災機器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機動、高可靠性移動載體研究方面。如美國移動機器人(TMR)計劃中的便攜式機器人系統(tǒng)(MPRS)．該類機器人主要用于城市戰(zhàn)斗與搜救。如美國智能系統(tǒng)和機器人中心開發(fā)的RATLER礦井探索機器人用于災難后的現(xiàn)場偵查工作，采用電傳遙控方式，有主動紅外攝像機、無線射頻信號收發(fā)器、陀螺儀和危險氣體傳感器等裝備。無線遙控距離約76 米。美國南佛羅里達大學研制的Simbot礦井搜索機器人,小巧靈活，攜帶數(shù)字低照度攝像機和基本氣體監(jiān)視組件，可以通過一個鉆出的小洞鉆進礦井，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，探測氧氣、甲烷氣體含量，生成礦井地圖。
1. 形狀可變履帶機器人
所謂形狀可變履帶機器人，是指該機器人所用履帶的構形可以根據(jù)地形條件和作業(yè)要求進行適當變化。圖2所示為一種形狀可變履帶機器人的外形示意圖。該機器人的主體部分是兩條形狀可變的履帶，分別由兩個主電動機驅(qū)動。當兩條履帶的速度相同時，機器人實現(xiàn)前進或后退移動；當兩條履帶的速度不同時，機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。當主臂桿繞履帶架上的軸旋轉(zhuǎn)時，帶動行星輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)履帶的不同構形，以適應不同的運動和作業(yè)環(huán)境（見圖1-1）
圖1-1形狀可變履帶機器人外形示意圖
為了能進入狹小空間展開搜救工作，要求機器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會受到限制，為了解決這已矛盾，近年來在傳統(tǒng)牽引式多態(tài)搜救機器人。圖1-2為美國Irobot公司生產(chǎn)的Packbot系列機器人，packbot機器人有一對鰭形前肢，這對鰭形前肢可以幫助崎嶇的地面上導航，也可以升高感知平臺以便更好地觀察。圖1-3為加拿大inuktun公司MicroVGTV 多態(tài)搜救機器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠近靈活地調(diào)整
(a)正常狀態(tài) （b）直立狀態(tài)
圖1-2 美國Irobot公司packbot多態(tài)搜救機器人
（ a）平躺狀態(tài) （b）半直立狀態(tài) （ c）直立狀態(tài)
圖1-3 加拿大Inuktun公司Micro VGTV多態(tài)搜救機器人
2. 位置可變履帶機器人
所謂位置可變履帶機器人，是指履帶相對于車體的位置可以發(fā)生變化的履帶式機器人。這種位置的改變既可以是一個自由度的，也可以是兩個自由度的。圖1-4所示為一種二自由度變位履帶機器人，各履帶能夠繞車體的水平軸線和垂直軸線偏轉(zhuǎn)，從而改變機器人的整體構形。
圖1-4 二自由度變位履帶機器人
圖1-4為上述變位履帶機器人傳動機構示意圖。由上圖可知，當A軸轉(zhuǎn)動時，通過一對錐齒輪的嚙合，將運動傳遞給驅(qū)動輪，從而帶動履帶運動；當B軸轉(zhuǎn)動時，通過另一對錐齒輪的嚙合，帶動與履帶架相連的曲柄，使履帶繞主動軸軸線回轉(zhuǎn)變位；當C軸傳動時，履帶連同其安裝架一起繞C軸線相對于車體轉(zhuǎn)動，改變其位置。A、B、C三軸由一臺電動機帶動，通過切換A、B、C三個離合器，使之實現(xiàn)不同的傳動路線，具體情況參見圖1-5。
a)結構示意圖 b）不同的傳動路線
圖1-5變位履帶機器人傳動機構示意圖
變位履帶機器人集履帶式機器人和全方位輪式機器人的優(yōu)點于一身。當其履帶沿一個自由度方向變位時，可用于攀爬階梯和跨越溝渠（見圖1-6）；當其履帶沿另一個自由度方向變位時，可實現(xiàn)車體的全方位行走方式（見圖1-7）。
圖1-6變位履帶機器人爬梯越溝功能示意圖
圖1-7變位履帶機器人移動方式示意圖
3.仿生搜救機器人
雖然履帶式可變形多態(tài)機器人可根據(jù)搜索空間的大小改變其形狀和尺寸，但受驅(qū)動方式的限制，其體積不可能做得很小。為了滿足對更狹小空間搜索的需要，人們根據(jù)生態(tài)學原理研制了各種體積更小的仿生機器人，其中蛇形機器人就是其中很重要的一類。圖1-8a為cmu研制的安裝的蛇形機器人。圖1-8b為日本大阪大學研制的蛇形機器人。圖1-8c為美國加州大學伯克利分校研制的身高不足2cm的蒼蠅搜救機器人。隨著技術的不斷成熟，相信蛇形、蠅形等仿生機器人會在災難搜救工作中發(fā)揮越來越大的不可替代的特殊作用。
(a）CMU研制的基于移動 (b)日本大阪大學 （c）加州大學伯克利
平臺的蛇形機器人 蛇形機器人 分校研制的蒼蠅機器人
圖1-8仿生機器人
1.2.2 國內(nèi)研究情況
我國的搜救機器人技術起步較晚，但是近年來引起了越來越多的關注并取得了一定的成果。
在5.12地震發(fā)生后，針對亂石之中被埋在撫恤下的生命很難發(fā)現(xiàn)，“如果有能穿越亂石的機器人，也許就可以發(fā)現(xiàn)廢墟下的生命跡象從而救出更多的人！“謝敬濤等5位重慶交大的5位同學經(jīng)過商量后便有這個想法，發(fā)明一個越障能力強的機器人-蛇形機器人（圖1-9）.
圖1-9
圖1-10
由中科院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室研制的空中搜索探測機器人、廢墟洞穴搜救可變形機器人、廢墟表面搜救機器人(如圖1-10),在位于北京西郊鳳凰嶺的國家地震緊急救援訓練基地完成了綜合調(diào)試演練，并達到了預期性能指標。這標志著我國地震搜救機器人系統(tǒng)已進入到示范應用階段，有望在“十二五”期間作為地震應急搜救裝備投入實際使用。
6月22日，國內(nèi)首臺煤礦搜救機器人(樣機)在江蘇徐州誕生，該機器人由中國礦業(yè)大學可靠性與救災機器人研究所研制。目前這臺搜救機器人采用點對點式的無線控制方式，有效控制范圍為300米。由葛世榮教授領導的科研小組正在研制使用中繼站式無線通訊方式，成功后將可實現(xiàn)對機器人1.5公里范圍內(nèi)的無線控制。煤礦搜救機器人采用自主避障和遙控引導相結合的行走控制方式，它能在礦難發(fā)生后深入事故現(xiàn)場探測火災溫度、瓦斯?jié)舛?、災害場景、呼救聲訊等信息，并實時回傳采集到的信息和圖像，為救災指揮人員提供重要的災害信息。同時，機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)助被困人員實施自救和逃生。據(jù)悉，此機器人通過改裝后還可廣泛應用于地面救火、有害氣體測試等用途。
圖1-121
以上是目前世界上的搜救機器人的研究現(xiàn)狀。搜救機器人多種多樣，然而真正應用在實際中的機器人目前不是很多。由于技術發(fā)展的限制，很多機器人只能在一個方面使用，沒有幾種多功能的搜救機器人，但是很多機器人又有相同的地方。
作為搜救機器人，越障，搜索，通信，攜帶救援物資等等功能是最基本的功能。這其中越障顯得極為重要，如果機器人連障礙物都無法穿越，還怎么做到搜救呢？于是越障能力作為考查搜救機器人能力的最為重要的指標。而越障能力由機器人的機械結構設計決定的，于是各種各樣形態(tài)的機器人就誕生了。其實各種形態(tài)都是為了提高機器人的越障能力的而存在的。
1.2.3 搜救機器人技術發(fā)展方向
搜救機器人為搜救工作展開了新思路，但是也暴露了一些問題。綜合考慮機器人技術和搜救環(huán)境，未來的搜救機器人技術需求應包括以下幾個方面。
1．機動裝置設計
在搜救過程中，機動是機器人首先面臨的問題。作為機器人機動主體的底盤，需要裝載所有的傳感器。考慮當時的環(huán)境，底盤的設計應該滿足以下需求。
（1）能夠通過粗糙地形，越過或繞過障礙物，能夠爬樓梯，能夠通過狹窄空間。
（2）能夠耐熱、放水、防火、防腐蝕
（3）重量輕，能夠在不發(fā)生滑動和再次倒塌的情況下對空間進行快速搜索。
2．傳感器
搜救的兩個明確任務：一是尋找可能的幸存者，二是在最初的結構評估過程中對空間進行分類。因此，機器人攜帶的傳感器必須使它們在移動中探測受災者和收集受災者信息。如傳感器的設計需要能夠確定受災者的生命跡象，并確定幸存者的狀態(tài)；為了判斷出受困者所在的位置和其所在地點的情形，需要綜合GPS、慣性測量裝置、編譯器、陀螺儀、加速計、觸摸、移動、視覺和聲學傳感器獲得的信息等。
3．通信
使用有線通信的機器人在行動中通信系鏈易纏繞，限制了機器人的移動，適合于短距離的搜救行動。未來的發(fā)展是采用無線通信。在紐約世貿(mào)中心救援中使用的機器人就是利用無線以太網(wǎng)（2.4GHz 802.11）、有線通信方式與指揮中心保持通信聯(lián)絡。無線以太網(wǎng)由于帶寬的問題，易導致通信中斷，因此，需要加強動力、抗干擾能力的設計。
4．圖像處理
通過操縱機器人能夠獲取現(xiàn)場圖像，用于確定墻壁和柱子計結構的破壞，管道和儲藏庫的泄漏和破裂等。同時機器人能夠通過獲得的現(xiàn)場結構信息繪制出新的結構圖，從而向救援人員報告受災后的精確位置及可能的通路。地圖的繪制可以由一個機器人完成，也可以與其他機器人合作來完成。
5．導航技術
提高機器人搜索效率和范圍，開展視覺導航技術的相關研究。視覺在機器人路徑規(guī)劃、避障；自動爬樓梯過程中是非常重要的。如NASA噴氣動力實驗室利用圖像的樓梯邊緣判斷方法，解決了機器人爬樓梯的自動化。
6．人機交互界面
為了方便使用者在救援行動中有效的使用機器人，便捷的人機交互是非常必須的。一個有效的用戶界面必須能夠向操作員提供足夠的決策參考信息，用于制定機器人的下一步行動。在這樣的界面下，使用者能夠很容易的獲得機器人的方向、位置和動力，操作眾多的設備，比如攝像機、燈光和車載鉗子，準確的控制機器人的移動，從攝像機獲得圖像。
7．群體機器人協(xié)同
在面對一個巨大災難的時候，可以考慮由多個機器人組成群體，通過系統(tǒng)協(xié)調(diào)來完成單機器人無法或難以完成的工作。群體機器人系統(tǒng)具有空間分布、功能分布、時間分布等特點，所以群體機器人系統(tǒng)比單機器人系統(tǒng)具有更強的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
（1）群體機器人系統(tǒng)可以實現(xiàn)單機器人系統(tǒng)無法實現(xiàn)的復雜任務。
（2）設計和制造多個簡單機器人比單個復雜機器人更容易、成本更低。
（3）使用群體機器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時間、提高效率。
（4）群體機器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和彈性。
救災機器人是智能化機器人在煤礦領域的全新應用，盡管某些關鍵技術仍需要進一步研究，但救災機器人具有高度的實用價值和廣泛的應用前景。隨著計算機技術、傳感技術、控制技術、材料技術的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡技術和圖像信息處理技術的迅猛發(fā)展，智能機器人的研究已取得了豐碩的研究成果。但是，由于
礦井救災機器人特殊的工作環(huán)境和工作要求的不斷提高，礦井救災機器人技術方面還需要有所突破：
（1）機械性能方面， 能夠適應礦井惡劣的災后環(huán)境，對非結構的地形環(huán)境具有良好的自適應能力，具備較好的越障能力。
（2）新技術和新材料的研發(fā)，礦井災后惡劣的環(huán)境要求用高強度、抗拉抗壓、抗高溫阻燃、不產(chǎn)生電火花的材料。
（3）優(yōu)良的導航性能、信息采集能力仍是今后礦井救災機器人導航技術的主要發(fā)展方向。
（4）由于礦井中救災機器人單一的傳感器無法滿足高精度定位需要，因此需要融合多個傳感器測量信息，多傳感器信息融合技術也就自然成為發(fā)展趨勢。
（5）多機器人系統(tǒng)是礦井救災機器人技術發(fā)展的主要方向。
（6）采用標準化、網(wǎng)絡化、模塊化技術。
機器人裝備有通信系統(tǒng)，在與外界進行數(shù)據(jù)信息交換時，采用標準化接口技術，網(wǎng)絡技術可使機器人更具備操控性，同時機器人通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護性、兼容性也更好。
2 搜救機器人的總體結構方案設計
2.1 井下復雜環(huán)境對搜救機器人的要求
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確定位井下失蹤人員的功能，還要有簡單的急救功能。
(1) 井下地形礦山井下地形復雜，環(huán)境惡劣。巷道路面多積水，有礦車鐵軌、水溝、風管、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。災害發(fā)生后，脫落的頂板、巖石、煤塊等形成新的障礙物。復雜的路況要求井下機器人要有較強的越障、避障能力和行駛功能恢復能力。
(2)井下氣候災害后，井下通風系統(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，災變區(qū)域的溫度、濕度增加，風量減少。所以二次瓦斯爆炸的危險也常常是影響救護隊員及時下井救護的一個主要因素。為了在高瓦斯下安全工作，搜救機器人需要進行礦用隔爆兼本安型設計；元件在井下溫度變化范圍內(nèi)應能可靠地工作；為了防止煤塵和積水進入車體內(nèi)部和運動副，廂體要進行密封、防水設計。
(3)光照與煙霧井下無自然光，機器人只有自帶光源。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)境要求所設計的搜救機器人形體較小，載荷較大，運動靈活，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，較強的越障、爬坡能力，以及防爆、防水、耐高溫、視覺防塵等功能。
2.2典型移動機構方案分析
機器人在地面上移動的方式通常有三種：輪式、腿式和履帶式。另外還有步進移動式、蠕動式、混合移動式、蛇行移動式等。
2.2.1 輪式移動機構特點
輪式移動機構在救災機器人中是最為普通的運動方式，輪式機器人移動機構普遍具有結構簡單、運動速度快、能源利用率高的、機動性好強的特點，同時具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時間短和工作效率高等優(yōu)勢。控制的角度看，編程簡單并有較高的可靠性，每個輪子都可以獨立驅(qū)動。與履帶式移動機器人相比，當跨越不平坦地形時，輪式機器人有著固有的不足，限制了其運動能力，其穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對于進入復雜的環(huán)境完成既定任務存在嚴重的困難。輪式移動機構按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結構存在著一定的局限性，只能在相對平坦、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，其各種結構如圖2-1所示。
圖2-1 輪式移動裝置示意圖
2.2.2 腿式移動機構特點
腿足式移動機構分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移動機構優(yōu)點有：
（1）腿式機器人的地形適應能力強。腿式機器人運動軌跡由一系列離散點組成，崎嶇地形可以給這些離散點提供支撐，使機器人平穩(wěn)運動；而輪式和履帶式機器人的運動是連續(xù)規(guī)跡，有些起伏較大的地形則不支持這種連續(xù)運動軌跡，進而限制了該類機器人活動范圍。
（2）腿式機器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調(diào)節(jié)腿的長度可以控制機器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高；
（3）腿式機器人的身體與地面分離，這種機械結構優(yōu)點在于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動機器人如圖2-2所示，特點是穩(wěn)定性好，越野能力強。
腿式移動機構缺點有：
（1）該類機器人的移動速度慢，機動性較差．因此機器人的負載不能太重；
（2）腿式機器入對地面適應性和運動靈活性需要進一步提高；
（3）腿式機器人控制系統(tǒng)較為復雜，控制方法還有待完善；
（4）該機構未進入實用化階段。
圖2-2車輪式行走機器人
2.2.3履帶式移動機構特點
履帶式移動機構分為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，履帶式移動機構與地面較大的接觸面積，因此在較大的區(qū)域內(nèi)分布機器人的重量，較大的接觸區(qū)域使機器人具有較好的驅(qū)動牽引力，機動性能好、越野性能強，缺點是結構復雜、重量大、摩擦阻力大，機械效率低，在自身重量比較大的情況下會對路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動機構比較輪式移動機構有以下幾個特點：
（1）撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好；
（2）越野機動往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結構；
（3）履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好；
（4）結構較復雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件易損壞。
圖2-3為一部分履帶式移動機構的簡圖
圖2-3 履帶式移動裝置示意圖
履帶式實際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，所以著地壓強?。涣硗馀c路面黏著力強，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機械及軍用車輛上。并且履帶式結構是通過兩條履帶差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎，還可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。
2.2.4 履，腿式移動機構特點
履腿復合移動機構綜合了履帶式和腿式兩種移動機構的優(yōu)勢，在地面適應性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機構地面適應性能好，在復雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機構無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機構往往是兩條履帶與車身相對固定，很大程度上限制了機器人地形適應能力(此時機器人履帶高度和長度直接決定了機器人越障、跨溝等性能)，為了解決該問題履式移動系統(tǒng)中引入了關節(jié)履帶機構，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動，這樣能大大提高機器人的環(huán)境適應能力，但履、腿復合機構本身存在著一定的不足如結構復雜、運動控制困難等。
2.2.5 輪、履、腿式移動機構性能比較
車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表2-1所示。
表2-1典型移動機構的性能對比
移動方式
輪式
履帶式
腿式
移動速度
快
較快
慢
越障能力
差
一般
好
復雜程度
簡單
一般
復雜
能耗量
小
較小
大
控制難易
易
一般
復雜
2.3 本研究采用的行走方案
履帶式機器人具有良好的越障能力和地面適應性，已得到廣泛的應用．典型的履帶式機器人可分為固定履帶式機器人和擺臂履帶式機器人．擺臂履帶式機器人根據(jù)擺臂的數(shù)量可分為四履帶雙擺臂機器人和六履帶四擺臂機器人.
本文提出來的便攜式履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履、腿(輪)復合結構，該結構最大優(yōu)點在于在傳統(tǒng)履帶移動機構的基礎上增加了轉(zhuǎn)動關節(jié)，加強了機器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應能力。
機器人能根據(jù)地形條件的復雜程度，通過主動調(diào)節(jié)兩側(cè)履帶與車身約束關系來選擇自適應環(huán)境或者是主動適應環(huán)境。自適應環(huán)境可以提高機器人運動穩(wěn)定性能、平順性能；主動適應環(huán)境可以提高機器人通過性能，機器人設計方案如下圖2-4所示。
圖 2-4 便攜式履帶機器人結構組成
1.后輪驅(qū)動電機及組件 2.擺臂電機及組件 3.主履帶 4.擺臂履帶 5.齒輪
2.4 救災機器人性能指標與設計
由于煤礦井下環(huán)境的特殊性和復雜性煤礦井下搜救機器人的總體設計須滿足適合井下復雜地形、防爆、防碰撞等要求，同時所載的子系統(tǒng)安裝、使用要方便。在地面移動機器人家族中，履帶機器人具有很強的地形適應性，能夠適應惡劣的路面條件，因此得到了廣泛的應用。但普通的履帶移動移動機構結構復雜，重量大，運動慣性大，減震性能差，零件易損壞。為克服普通履帶式移動機構的缺點，給煤礦井下搜救機器人履帶式移動機構加裝前擺。機器人加裝前擺臂的優(yōu)點：機器人重心將前移，實現(xiàn)機器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實現(xiàn)機器人傾翻后自復位。為提高其地形適應性，前擺臂兩個擺臂關節(jié)單獨控制和單獨驅(qū)動。
總體設計方案如圖2-4所示。采用后輪驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，可實現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向。擺臂電動機驅(qū)動擺臂可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，提高機器人跨越溝槽和爬越臺階的越障的能力和翻轉(zhuǎn)后自復位的功能。根據(jù)井下環(huán)境對機器人的要求，主要設計性能參數(shù)如下：,,,,B(車體寬度)=500mm。車體質(zhì)量為50kg,擺臂質(zhì)量不超過5kg,機器人做直線運動最大速度等于1m/s,自備電源運行時間大于等于4小時。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
本章重點介紹了國內(nèi)外履帶機器人的移動方式，對三種常見的移動方式(輪式、履帶式、腿式)在越野性能、移動速度、機構復雜程度、控制難易程度等幾方面進行了比較和分析，就研制的礦用履帶搜救機器人應達到的性能指標提出了具體要求。
3 礦用搜救機器人運動參數(shù)設計計算
3.1機器人越障分析
研究擺臂履帶機器人的越障機理與越障能力，有利于對機器人的越障運動進行操作與控制，可保證其運行穩(wěn)定性和最佳越障性能。本文從運動學的角度，在固定雙履帶機器人越障機理的基礎上，分析四履帶雙擺臂機器人對臺階、斜坡、溝道等典型障礙的越障運動機理。 履帶式移動機器人面臨的環(huán)境多為非結構地形環(huán)境，非結構地形環(huán)境是多樣的、復雜的三維地形，包括天然形成的起伏、崎嶇地形，以及人工修建的坡路、階梯、溝道等人工地形。影響或阻止機器人平臺正常移動的地形、地物稱為障礙地形。而很多地形具有相近的幾何構特征，為了便于分析與表述，通常將障礙地形簡化為斜坡、臺階、連續(xù)臺階、凸臺、溝道等具有典型特征的地形。表征斜坡的幾何構形特征是坡度和坡向，坡度是高度的最大變化率，坡向是最大變化率的區(qū)域方向，其關鍵邊界線為斜坡底部與頂部轉(zhuǎn)折線。表征臺階的幾何構形特征是高度，其關鍵邊界線為臺階外角線。表征連續(xù)臺階的幾何構形特征是高度和臺階跨度，其關鍵邊界線為臺階內(nèi)、外角線．表征凸臺的幾何構形特征是高度和寬度，其關鍵邊界線為凸臺兩對內(nèi)、外角線。表征溝道的幾何構形特征是跨度和深度，其關鍵邊界線為溝道兩側(cè)邊緣線。
機器人克服障礙，是指機器人利用其行走機構驅(qū)使機器人移動，使其質(zhì)心越過障礙的關鍵邊界線，在此過程中機器人不發(fā)生傾覆，不受障礙卡阻，能繼續(xù)保持機器人的穩(wěn)定姿態(tài)與移動能力。對于履帶機器人，可將其攀越凸臺的過程分解為上臺階和下臺階的過程，將其攀爬連續(xù)臺階的過程根據(jù)其幾何構形特征的尺寸簡化為攀爬斜坡或依次攀爬臺階的情況。因此，只需著重分析機器人攀爬臺階、斜坡以及跨越溝道的越障運動機理。為了便于研究履帶機器人的越障機理，首先對固定雙履帶機器人的越障機理進行研究。
3.1.1機器人跨越臺階
（1）越障機理分析
當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地面之間的夾角將隨時間而逐漸增加，其重心越過臺階的支撐點時，機器人就跨過了臺階完成爬越動作。
（2）越障過程分析
煤礦井下搜救機器人爬越臺階的過程如圖3-1所示，機器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機構的驅(qū)使下，使其主履帶前端搭靠在臺階的支撐點上，機器人繼續(xù)移動，驅(qū)動擺臂逆時針擺動，當機器人重心越過臺階邊緣時，旋轉(zhuǎn)擺臂關節(jié)，機器人在自身重力影響下，車體下移，機器人成功地爬越臺階。
圖3-1 機器人正向攀爬臺階的過程
由運動過程可以看出，機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)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。
圖3-2機器人上臺階臨界狀態(tài)示意圖
由圖3-2所示幾何關系可得：
（3-1）
變換式（1）可得： （3-2）
（3-3）
利用式（3）求出，代入式（2）可算出機器人跨越障礙的最大高度。
3.1.2跨越溝槽
（1）越障機理分析
對于小于機器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機器人重心在機器人車體內(nèi)，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過了溝槽，完成了跨越動作。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當溝槽大于中心距時，履帶式機器人可以看做爬越凸臺障礙。
（2）越障分析
履帶式移動機器人跨越溝槽時，機器人重心不斷向前移動，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機器人重心在以r為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應處于展開狀態(tài)。
圖3-3跨越溝槽示意圖
機器人在平地圖3-3（a）跨越溝槽的寬度：
（3-4）
在角度為的斜坡圖3-3(b)上跨越溝槽的寬度：
（3-5）
3.2斜坡運動分析
機器人在斜坡上運動時，起受力情況如圖3-4所示，機器人勻速行駛或靜止時，其驅(qū)動力：
（3-6）
圖3-4機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：
（3-7）
當時，機器人能平穩(wěn)行駛。
當時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。
已知煤礦井下機器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù)，則機器人爬越的最大坡度為:
（3-8）
爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：
（3-9）
通過上述分析，可以根據(jù)機器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。
3.3 本章小結
本章重點圍繞礦用履帶搜救機器人的爬坡性能、越障性能、跨溝性能三方面，對機器人移動原理進行理論分析，運動過程進行數(shù)值計算，驗證了該機器人在惡劣環(huán)境下具有優(yōu)良機動能力。
機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。