履带式搜救机器人机械结构设计【全套CAD图纸+答辩毕业论文】

买文档就送全套 纸 14951605 或1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 摘 要 煤矿灾害尤其是瓦斯煤尘爆炸事故发生后 ,矿井环境十分复杂 ,井下因灾受伤人员面临极其危险的状况 ,需尽快地转移与救护；而救援工作异常困难和危险 ,往往在救援工作中造成救护人员的伤亡。研发代替或部分代替救护人员及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作的救灾机器人具有极其重要的意义。 本论文研究工作的目的是设计结构新颖、具有独创性的可携带、抗一定冲击的履带移动机器人， 以能够适应在恶劣环境和复杂路况下工作 。 通过在移动系统上加载不同的模块，能够实现搜救机器人不同的使用功能，本研究意义在于为 后续设计 的搜救机器 人提供一个基础的动力平台，以便于能够开发出更多使用功能的搜救机器人。 本研究所设计的搜救机器人 移动方案是履带式驱动结构。 该方案采用模块化设计，便于拆卸维修，可以分段自适应复杂路面，并可主动控制两侧翼板模块的转动来调节机器人姿态变化，辅助爬坡、越障和跨沟；机器人经过合理的结构布局和设计后具有良好的环境适应能力、机动能力并能抵抗一定高度的掉落冲击。 所设计的机器人 移动 机构主要由四部分组成： 主动轮减速驱动机构、翼板转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构，本论文对上述各部分方案分别进行论证、 结构设计计算、 3并设计了搜救机器人虚拟样机 。 关键字 ： 搜救机器人；复合移动机构；模块化设计； 买文档就送全套 纸 14951605 或1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 is be as as in in D to or in a is he of is to in to be to to to by be is s to a to of is is in be on of to of of of on 3D a 文档就送全套 纸 14951605 或1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 目 录 前 言 . 1 1 绪 论 . 3 题研究背景及意义 . 3 题研究背景 . 3 题研究意义 . 3 内外的研究概况 . 5 外研究现状 . 5 . 10 展趋势 . 11 2 搜救机器人的总体结构方案设计 . 12 下复杂环境对救灾机器人的要求 . 12 型移动机构方案论证分析 . 13 式移动机构特点 . 13 式移动机构特点 . 14 带式移动机构特点 . 15 、腿式 移动机构特点 . 16 、履、腿式移动机构性能比较 . 17 研究采用的行走机构 . 17 灾机器人性能指标与设计 . 18 章小结 . 19 3矿用搜救机器人运动参数设计计算 . 20 . 20 器人跨越台阶 . 20 买文档就送全套 纸 14951605 或1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 越沟槽 . 21 . 22 章小结 . 23 4机器人移动平台机械设计 . 24 . 24 于平地的最大速度的电机功率计算 . 24 坡最大坡度的驱动电机功率计算 . 25 章小结 . 26 5 驱动轮减速器设计 . 27 . 27 速器应满足的要求 . 27 速器方案分析 . 27 速器的设计计算 . 29 速器的传动方案分析 . 29 齿计算 . 29 步计算齿轮的主要参数 . 30 配条件的计算 . 34 速级齿轮强度的验算 . 35 的设计及校核 . 44 章小结 . 47 6移动机构履带及翼板 部分设计 . 47 . 47 定带的型号和节距 . 48 定主从动轮直径 . 49 定节线长度和带宽 . 49 买文档就送全套 纸 14951605 或1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 板部分设计 . 51 章小结 . 52 7机器人摇臂的设计 . 52 臂作用概述 . 52 . 54 . 55 8 总结与展望 . 56 致 谢 . 58 参考文献 . 59 买文档就送全套 纸 14951605 或1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 买文档就送全套 纸 14951605 或1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 买文档就送全套 纸 14951605 或1304139763 充值就可以下载原稿，疑问咨询 14951605 或 1304139763 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 1 前 言 我国的煤炭资源十分丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的 70%左右，预计到 2050年还将占 50%以上，因此，在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源，由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我 国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。据统计， 2006年我国矿难死亡 1517人，百万吨死亡率为 2007年全国矿难死亡 1600人，百万吨死亡率为 2008年全国煤矿发生伤亡事故 1341 起，死亡1389人，百万吨死亡率约为 中一次死亡 3 9人的重大事故 110起，死亡 886人。 2009年全国安全生产数据显示 2009全国共发生一次死亡 10 人以上的特大事故 61起 ： 死亡 717人 ， 其中煤矿企业特大事故共发生 18起 ,死亡 330 人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。 2010年全国煤矿安全 生产形势依然严峻，目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的 80%，百万吨死亡率是美国的 100倍、南非的 30 倍。每年上百次的事故发生，成千人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。 矿井瓦斯爆炸一旦发生，因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能，救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务，上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故， 2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落 ，导致一氧化碳中毒死亡；2005年渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场 救灾 ，在救火过程中，突发瓦斯爆炸， 4名救护队员殉职； 2006 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 2 年六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成 8名救护队员死亡。 由此可见研发代替或部分代替救护人员的救灾机器人及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意义。在救援初期，其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区，进行环境探测，并将采集的数据发送至救援指挥中心，这些环境信息主要包括瓦斯、 气的 浓度、环境温度、湿度与粉尘情况以及灾区的通风状况的参数，还应包括生命和图像等信息，为救灾决策提供重要参考。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 3 1 绪 论 题 研究 背景及 意义 题研究背景 我国是世界上灾害、事故发生次数最多的国家之一，地震、火灾、塌方、以及各类人为事故，给人民生命财产安全造成极大的危害。灾害发生后，如何及时有效的发现被困幸存者并实施快速的救援是灾后应急救援的头等大事。 然而复杂危险的灾后环境常常会给救援工作带来困难。危险物质、大火、易燃易爆 气体、不稳定的结构等等危险因素的存在，时常威胁到救援队员的生命安全，阻碍救援工作的快速展开。如何能够在最少人员伤亡前提下快速高效地开展搜索救援工作一直是我们重点研究的问题。 本文提出的便携式矿用救灾机器人是一种质量轻，易于单个救援人员背负，具有多种运动姿态和抗摔能力，采用履带方式行进的微小型机器人系统。 能够适应矿井恶劣的灾后环境，对非结构的地形环境具有良好的自适应能力，具备较好的越障能力 和一定高度的抗摔能力。机器人可通过无线电信号进行远程控制，并能够加载各种侦测设备对未知环境进行先期探测 并回传井巷环境信息 ， 为及时有效的救灾提供决策参考。 题研究意义 我国煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。 在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的 一半以上 ，在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源，由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 4 十分惨重。据统计， 2006年我国矿难死亡 1517人，百万吨死亡率为 007年全国矿难死亡 1600人，百万吨死亡率为 2008年全国煤 矿发生伤亡事故 1341 起，死亡 1389人，百万吨死亡率约为 中一次死亡3 9人的重大事故 110起，死亡 886人。 2009年全国安全生产数据显示 2009全国共发生一次死亡 10 人以上的特大事故 61起 ： 死亡 717人 ， 其中煤矿企业特大事故共发生 18起 ,死亡 330 人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。 2010年全国煤矿安全生产形势依然严峻，目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的 80%，百万吨死亡率是美国的 100倍、南非的 30 倍。每年上百次的事故发生，成千 人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。 煤矿作为最复杂、最危险的工作环境之一，在发生安全事故之后，常常会因为井下复杂危险的环境而阻碍救援人员深入井下开展工作。但煤矿安全形式十分严峻，瓦斯爆炸等煤矿事故频发，造成了重大的人员伤亡，产生了不良的社会影响。煤矿灾害尤其是瓦斯煤尘爆炸事故发生后， 因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能， 矿井环境十分复杂。 救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务，上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大 瓦斯爆炸事故， 2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡； 2005年渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场 搜救 ，在救火过程中，突发瓦斯爆炸， 4名救护队员殉职； 2006 年六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成 8名救护队员死亡。 井下因灾受伤人员面临极其危险的状况，需尽快地转移与救护；而救援工作异常困难和危险，往往在救援工作中造成救护人员的伤亡。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 5 由此可见研发代替或部分代替救护人员的救灾机器人及时、快速深入矿井灾区 进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意义。在救援初期，其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区，进行环境探测，并将采集的数据发送至救援指挥中心，这些环境信息主要包括瓦斯、 气的浓度、环境温度、湿度与粉尘情况以及灾区的通风状况的参数，还应包括生命和图像等信息，为救灾决策提供重要参考。 内 外的研究 概 况 外研究现状 目前，在救灾机器人研究方面，美国走在了世界的前列，美国在微小型机器人研制方面投入了大量的人力和物力，特别是新型、高机动、高可靠性移动载体研究方面。如美国移动机器人 (划中的便携式机器人系统 (该类机器人主要用于城市战斗与搜救。 如美国智能系统和机器人中心开发的 用电传遥控方式，有主动红外摄像机、无线射频信号收发器、陀螺仪和危险气体传感器等装备。无线遥控距离约 76 米。美国南佛罗里达大学研制的 小巧灵活，携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，可以通过一个钻出的小洞钻进矿井，越过碎石和烂泥，并使用其携带的传感器发现受害矿工，探测氧气、甲烷气体含量，生成矿井地图。 下图为美国及其它国家在 研的各种履带式可变形机器人 ： 如图 1是美国 机器人，现服役于美国军队，这个 “搭配了一个爆炸物感应系统，有效地探测炸弹。目前这种测试系统还处于实验阶段。 “机器买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 6 人还以进行挖掘和拆弹工作。配备了称为 “和工程师的全套工具，可以对土壤进行挖掘，然后举起相当于自身重量 2倍的炸弹。 图 1量仅为 30磅。它带 有一个称为 “的头部，还有一个相机、一个红外感应器和一个可即时传送影像的摄像头 。 图 1备展开 图 1器人 机器人采用履带方式行进，内部装备有两台普通直流电机，电机通过两根链条带动履带轮转动，实现机器人运动；另外机器人前后履带轮中间安装有一小型承重轮，该轮不仅能承载一部分负荷同时也能在机器人转向时起到支撑作用，减少履带与地面之间的摩擦，提高 机器人转向能力。 纸 14951605 或 1304139763 7 种侦察、巡逻工作。机器人外形参数尺寸为 27.9 约 39潜水 45度斜坡。 图 12003年，澳大利亚 作，开发了一个煤矿灾害搜救机器人，并在澳大利亚昆士兰州的 15米地下训练场进行了试验。这个机器人专门是为矿山灾害而研制。它的尺寸大小像一个蜂蜜罐子，它可以通过地面的钻孔进入煤矿井下然后爬过障碍物和泥浆，利用传感器搜寻被困矿 工，探测有毒或者可燃性气体，还可以将地面供气供水软管拖到被困矿工身边，给他们新鲜的空气和水。这种机器人在通过钻孔时像一条蛇一样将自己挤过岩石，一旦到达井下地面，就会像一个小型坦克一样行动，搜寻被困矿工。 救援义务人员能够通过观看、交谈、诊断的方式来了解被困矿工的健康状况。 如图 1，可以辅助攀爬和扩大机器人视野，曾在“ 911”事件的搜救任务中大显身手；加拿大 的 如图 1，买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 8 该机器人采用轮、履、腿复合移动机构，具有四个履腿模块，每个履腿模块与本体相连接时有 3个自由度，机器人运动功能多样，越障能力强，上下台阶方便；但结构极为复杂，仅电机就有 12个，运动控制困难，该机器入主要用于室内环境执行反恐、排爆任务。 图 1 图 1仅在一两年前，德国公司出品了一款防爆机器人，现在 2006 年的新一代机器人已经上市了 ，其结构比以前的更加轻便，体积更小。这款机器人依靠一个灵 活的小型系统有了和一些大型机器人一样的功能。 这款机器人依靠一个灵活的小型系统从而有了一些与大型机器人类似的功能，所以它小得以至于可以在地铁车厢或者飞行工具里操作，同时又足够大得可以直接处理一些在所有现行飞机的头顶贮藏室里的可疑项目处理 。 图 1-6 文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 9 这款产品具有很大的创新价值 ，经过数十年经验的累计取得了变结构设计领域的重大发展。 图 1-7 走姿势 它的机械结构由 4个独立履带齿轮驱动技术提供了非凡的移动力，它可以爬坡 45 度，并且可以越障 500高度，它做的比其它很多类似机器人都好，它的可伸展的上臂加上一个高度可调的地盘，给予了这款机器人一个可达到的非凡的垂直高度 2350的钳子可以吊起重达 5货物，这就意味着它可以装配弹道系统和其它工具。 图 1-8 爆机器人 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 10 内研究现状 我国的搜救机器人技术起步较晚，但是近年来引起了越来越多的关注并取得了一定的成果，沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学、广东富卫公司等机构 都设计了自己的搜救机器人系统。 2005年中科院沈阳自动化研究所与日本国际救援系统研究院联合成立的中日救援与安全机器人技术研究中心，在沈阳揭牌成立，这标志着我国的搜救机器人研究进入了一个更加快速发展的时期。 2006年 6月 22日，由中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所研制的国内首台煤矿搜救机器人 (样机 )在徐州诞生（如图 1这台煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，能在煤矿灾害发生后深入事故现场，探测火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息，并实时回传采集到的信息和图像，为救灾 指挥人员提供重要的灾害信息。同时，机器人还能携带急救药品、生命维持液、食品和千斤顶、撬棍等自救工具以协助被困人员实施自救和逃生。 图 1买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 11 展趋势 救灾机器人是智能化机器人在煤矿领域的全新应用，尽管某些关键技术仍需要进一步研究，但救灾机器人具有高度的实用价值和广泛的应用前景。随着计算机技术、传感技术、控制技术、材料技术的发展，特别是网络技术和图像信息处理技术的迅猛发展，智能机器人的研究已取得了丰硕的研究成果。但是，由于矿井救灾机器人特殊的工作环境和工作要求的不断 提高，矿井救灾机器人技术方面还需要有所突破： (1)机械性能方面， 能够适应矿井恶劣的灾后环境，对非结构的地形环境具有良好的自适应能力，具备较好的越障能力。 (2)新技术和新材料的研发，矿井灾后 恶劣 的环境要求用 高强度、抗拉抗压、抗高温阻燃、不产生电火花 的材料。 (3)优良的导航性能、信息采集能力仍是今后矿井救灾机器人导航技术的主要发展方向。 (4)由于矿井中救灾机器人单一的传感器无法满足高精度定位需要，因此需要融合多个传感器测量信息，多传感器信息融合技术也就自然成为发展趋势。 (5)多机器人系统是矿井救灾机器人技术发展的主要方向。 (6)采用 标准化、网络化、模块化技术。 机器人装备有通信系统，在与外界进行数据信息交换时，采用标准化接口技术，网络技术可使机器人更具备操控性，同时机器人通信系统的稳定性、可维护性、兼容性也更好。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 12 2 搜救机器人 的总体结构 方案设计 下复杂环境对救灾机器人的要求 井下环境和气候与地面不同，井下环境恶劣，特别是事故刚刚发生后的井下条件更为恶劣。搜救机器人需要满足井下工作环境的特殊要求，具备快速搜寻并且准 确定位井下失踪人员的功能，还要有简单的急救功能。 （ 1） 井下地形矿山井下地形复杂，环境恶劣。巷道路面多积水，有矿车铁轨、水沟、风管、线缆等障碍物；支巷道路面窄而不平，多有坡度；工作面处的路面坡度大，有碎煤、支撑、滑道等障碍。灾害发生后，脱落的顶板、岩石、煤块等形成新的障碍物。复杂的路况要求井下机器人要有较强的越障、避障能力和行驶功能恢复能力。 （ 2） 井下气候灾害后，井下通风系统常受到破坏，使井下气候发生明显的变化，常见瓦斯和粉尘浓度增大，灾变区域的温度、湿度增加，风量减少。所以二次瓦斯爆炸的危险也常常是影响救护队员及时 下井救护的一个主要因素。为了在高瓦斯下安全工作，搜救机器人需要进行矿用隔爆兼本安型设计；元件在井下温度变化范围内应能可靠地工作；为了防止煤尘和积水进入车体内部和运动副，厢体要进行密封、防水设计。 （ 3） 光照与烟雾井下无自然光，机器人只有自带光源。事故后，往往烟雾充斥巷道和工作面，能见度低，对照明产生一定影响。 （ 4） 能源使用井下专用蓄电池供电。 因此，井下的特殊环境要求所设计的搜救机器人形体较小，载荷较大，运动灵活，具有通过狭小空间、碎煤和岩石区的能力，能够实现较大弧度的转动，较强的越障、爬坡能力，以及防爆、防 水、耐高温、视买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 13 觉防尘等功能。 型移动机构方案论证分析 便携式机器人按移动方式分主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、蠕动式、混合移动式、蛇行移动式等。 式移动机构特点 轮式 移动 机构在救灾机器人中是最为普通的运动方式，轮式机器人移动 机构普遍具有结构简单、运动速度快、能源利用率高的、机动性好强的特点，同时具有自重轻、不损坏路面、作业循环时间短和工作效率高等优势。控制的角度看，编程简单并有较高的可靠性，每个轮子都可以独立驱动。与履带式移动机器人相比，当跨越不平坦地形时，轮式机器人有着固有的不足，限制了其运动能力，其稳定性和对环境的适应性完全依赖于环境本身的状况，对于进入复杂的环境完成既定任务存在严重的困难。 轮式移动机构按轮的数量可分为 2轮、 3轮、 4轮、 6轮、 8轮。该结构存在着一定的局限性，只能在相对平坦、表面较硬的路面上行驶，如遇到软性地面 (如沼泽、草地、雪地、沙地等 )容易打滑、沉陷，但可根据具体地面环境采用一些预防措施来缓解该类情况的出现，如采用不同种类的款式轮胎以提高其越野能力，象沙漠车辆、山地车辆等，其各种结构 如图 2 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 14 图 2式移动装置示意图 式移动机构特点 腿足式移动机构分 2 腿、 4 腿、 6 腿、 8 腿等形式。腿式移动机构优点有： (1)腿式机器人的地形适应能力强。腿式机器人运动轨迹由一系列离散点组成，崎岖地形可以给这些离散点提供支撑，使机器人平稳运动；而轮式和履带式机器人的运动是连续规迹，有些起伏较大的地形则不支持这种连续运动轨迹，进而限制了该类机器人活动范围。 (2)腿式机器人的腿部具有多个自由度，运动更具有灵活性，通过调节腿的长度可以控制机器人重心位置，因此不易翻倒，稳定性更高； (3)腿式机器人的身体与地面分离，这种机械结构优点在于机器人身体可以平稳地运动而不必考虑地面的租糙程度和腿的放位置， 8腿移动机器人如图 2点是稳定性好，越野能力强。 腿式移动机构缺点有： (1)该类机器人的移动速度慢，机动性较差因此机器人的负载不能太重； 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 15 (2)腿式机器入对地面适应性和运动灵活性需要进一步提高； (3)腿式机器人控制系统较为复杂，控制方法还有待完善； (4)该机构未进入实用化阶段。 图 2腿机器人 带式移动机构特点 履带式移动机构分为 2条履带 (履带可车体左右布置或者车体前后布置 )、 3条履带、 4条履带， 6条履带， 履带式 移动 机构与地面较大的接触面积，因此在较大的区域内分布机器人的重量，较大的接触区域使机器人具有较好的驱动牵引力， 机动性能好、越野性能强，缺点是结构复杂、重量大、摩擦阻力大，机械效率低，在自身重量比较大的情况下会对路面产生一定的破坏。履带式移动机构比较轮式移动机构有以下几个特点： (1)撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好； (2)越野机动往能好，爬坡越沟等性能均优于轮式结构； (3)履带支撑面上有履齿不打滑，牵引附着性能好； (4)结构较复杂重量大，运动惯性大， 减震功能差，零件易损坏。 图 2动 机构的简图 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 16 图 2履带式移动装置示意图 、腿式移动机构特点 履腿复合移动机构综合了履带式和腿式两种移动机构的优势，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为机器人的推进系统；传统履带移动机构往往是两条履带与车身相对固定，很大程度上限制了机器人地形适应能力 (此时机器人履带高度和长度直接决定了机器人越障 、跨沟等性能 )，为了解决该问题履式移动系统中引入了关节履带机构，两条履带不再相对车体固定而是能绕车身转动，这样能大大提高机器人的环境适应能力，但履、腿复合机构本身存在着一定的不足如结构复杂、运动控制困难等。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 17 、履、腿式移动机构性能比较 车轮式，履带式、腿足式移动系统性能比较见表 2示。 表 2型移动机构的性能对比 研究采用的行走机构 本文提出来的便携式履带机器人移动系统采用的是履、腿 (轮 )复合结构，该结构最大优点在于在传统履带移动机构的基础上增加了转动关节，加强了机器人越障、爬坡性能并提高了环境适应能力。 机器人能根据地形条件的复杂程度，通过主动调节两侧履带与车身约束关系来选择自适应环境或者是主动适应环境。自适应环境可以提高机器人运动稳定性能、平顺性能；主动适应环境可以提高机器人通过性能，机器人设计方案如下图 2 移动方式 轮式 履带式 腿式 移动速度 快 较快 慢 越障能力 差 一般 好 复杂程度 简单 一般 复杂 能耗量 小 较小 大 控制难易 易 一般 复杂 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 18 图 2携式履带机器人结构组成 动电机及组件 灾机器人性能指标与设计 由于煤 矿 井下 环 境的特殊性和复 杂性 煤 矿 井下搜救机器人的总体设计 须 满足适合井下复杂地形、防爆、防碰撞等要求，同时所载的子系统安装、使用要方便。 在地面移 动 机器人家族中，履 带 机器人具有很 强 的地形 适应 性，能够适应恶 劣的路面 条 件，因此得到了 广泛 的 应 用。但普通的履 带 移 动 移动 机构 结 构复 杂， 重量大， 运动惯 性大， 减 震性能差，零件易 损 坏。 为克服普通履 带 式移 动 机构的缺 点 ， 给 煤 矿 井下搜救机器人履 带 式移 动 机构加 装前摆。 机器人加 装前摆臂 的优点：机器人重心 将 前移， 实现 机器人爬坡和越障的功能， 稳 定 性将 更好； 实现 机器人 倾 翻后自复位。 为 提高其地形 适应 性，前 摆臂两个摆臂关节单独 控制和 单独驱动 。 总体 设计 方案如 图 2示。采用后 轮驱动 ，差速 转向 ，可 实现 原地 360 转向 。 摆臂电动 机 驱动摆臂 可在 360范 围内 旋 转 ，提高机器人跨越 沟槽 和爬越台阶的越障的能力和翻 转 后自复位的功能 。 根 据 井 下 环 境对 机器 人 的 要 求 ，主 要设 计 性 能 参 数如 下 ：买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 19 002=350=80mm,r=35(车体宽度 )=500体质量为50臂质量不超过 5器人做直线运动最大速度等于 1m/s,自备电源运行时间大于等于 4 小时。最大越障高度 H=300越最大沟壑宽度 C=500 2 图 2章小结 本章重点介绍了国内外履带机器人的移动方式，对三种常见的移动方式 (轮式、履带式、腿式 )在越野性能、移动速度、机构复杂程度、控制难易程度等几方面进行了 比较和分析，就研制的矿用履带搜救机器人应达到的性能指标提出了具体要求。 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 20 3 矿用搜救机器人运动参数设计计算 器人越障分析 器人跨越台阶 （ 1）越障机理分析 当机器人在爬越台阶时，机器人履带底线与地面之间的夹角将随时间而逐渐增加，其重心越过台阶的支撑点时，机器人就跨过了台阶完成爬越动作。 （ 2）越障过程分析 煤矿井下搜救机器人爬越台阶的过程如图 3示，机器人借助摆臂的初始摆角，在履带机构的驱使下，使其主履带前端搭靠在台阶的支撑点上，机器人继续移动，驱动摆臂逆时针摆动，当机器人重心越 过台阶边缘时，旋转摆臂关节，机器人在自身重力影响下，车体下移，机器人成功地爬越台阶。 图 3器人爬越台阶过程 买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 21 由 运动过 程可以看出，机器人在越障第三 阶 段图 3C）重心的位置 处 于 临 界 状态 ，机器人重心只有越 过 台 阶边缘 ，机器人才能成功的越过 障 碍 。由此可分析出机器人的最大越障高度。 图 3器人上台阶临界状态示意图 由图 3示几何关系可得： c o s ( ) c o t / s i h R R （ 1） 变换式（ 1）可得： s i n / c o R R （ 2） 2c o s s i n / c o s 0h （ 3） 利用式（ 3）求出 ，代入式（ 2）可算出机器人跨越障碍的最大高度 越沟槽 （ 1）越障机理分析 对 于小于机器人前后履 带轮 中心距地 沟槽 ，因机器人重心在机器 人车 体 内 ， 当 机器人重心越 过 下一 个沟槽 的支 撑点时 ，机器人就越 过了沟槽 ，完成了跨越 动 作。也可能由于重心未能 过 去， 倾 翻在 沟槽内 。 当沟槽 大于中心距 时 ，履 带 式机器人可以看做爬越凸台障 碍 。 （ 2）越障分析 履 带 式移 动 机器人跨越 沟槽时 ，机器人重心不 断 向前移 动 ， 当 重心越 过沟槽边缘时 ，受重力作用，机器人 将产 生前 倾现 象， 运动不稳 定。买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 22 由机器 人质 心 变 化 规 律可知机器人重心在以 r 为半径 的 圆内 ，由于 摆臂展 开 后机器人履 带 与地接触 长 度 变 大， 为 了 计 算最大跨越 壕沟宽 度， 摆臂 履 带应处 于展 开状态 。 图 3越沟槽示意图 机器人在平地 图 3a） 跨越 沟槽的宽 度1L：L L r（ 4） 在角度 为 的斜坡 图 3-3(b) 上跨越 沟槽的宽 度1L：m a x 1 t a r h （ 5） 坡运动分析 机器人在斜坡上运动时，起受力情况如图 3示，机器人匀速行驶或静止时，其驱动力： （ 6） 图 3器人上坡受力示意图 最大静摩擦力系数为 ，最大静摩擦力为：m a x c o （ 7）买文档就送全套 纸 14951605 或 1304139763 23 当，机器人能平稳行驶。 当，机器人受重力的影响将沿斜面下滑。 已知煤矿井下机器人在井下地面最大静摩擦系数 ，则机器人爬越的最大坡度为 : 1m a x ta n ( )（ 8） 爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为： m a x ( c o s s i n ) （ 9） 通过上述分析，可以根据机器人履带与运动面的摩擦系数来确定一些陡坡是否能够安全爬升，并根据坡度和电机的特性，确定其运动过程最大加速及爬升都陡坡的快速性。 章小结 本章 重点围绕矿用履带搜救机器人的爬坡性能、越障性能、跨沟性能三方面，对机器人移动原理进行理论分析，运 动过程进行数值计算，验证了该机器人在恶劣环境下具有优良机动能力。 机器人的爬坡角度最大为 030 ；垂直越障高度最大为 300大跨沟宽度为 500 买文档就送全套