一种新型煤矿救援机器人履带行走机构设计.pdf

第 4 1卷 第 6期 2 0 1 5年 6月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n V0I ． 41 No ． 6 J n i l ．2 0 1 5 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 6 0 0 2 1 0 5 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 6 孙国栋 ， 李雨潭 ，朱华． 一种新型煤矿救援机器人履带行走机构设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 6 2 1 2 5 ． 一 种新型煤矿救援机器入履带行走机构设计 孙 国栋 ， 李 雨潭 ， 朱华 中 国矿 业 大学 机 电工程 学 院 ，江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 摘要 从履 带机 构 的 结构复 杂度 、 越 障性 能 、 可操 作 性 以及 履 带 的接 地 比 压 4个 方 面 分析 了现 有 煤矿 救 援 机 器人 履 带行走 机构 的优 缺 点 ， 针 对现 有履 带 结构 的优缺 点设 计 了一 种新 型履 带行 走机 构 的结构 ； 结合煤 矿救援机器人的相关要求 ， 给 出了该新 型结构主要尺 寸的优化计算公 式； 根 据所提 出的计算公式 ， 设计 了 C UMT - 5型 煤矿 救援机 器人 。C UMT一 5机 器人 的 实 际运 行 结果表 明 ， 该新 型履 带行 走机 构 结构 简单 ， 越 障 性 能好 ， 具有 良好 的 可操 作 性 。 关键词 煤矿救援机 器人；履带机构；优化计算；越障 中 图分类 号 T D 7 7 4 文献 标志 码 A 网络 出版时 间 2 0 1 5 0 5 2 9 1 2 3 9 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 5 0 5 2 9 ． 1 2 3 9 ． 0 0 6 ． h t ml De s i g n o f a n e w t y p e o f c r a wl e r t r a v e l l i ng me c ha ni s m o f c o a l mi ne r e s c u e r o b o t SU N Guo d on g，LI Yu t a n， ZHU H u a Sc ho o l o f M e c ha ni c a l a n d El e c t r on i c Eng i ne e r i ng，Ch i na U n i ve r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t The a d v a nt a ge s a nd d i s a dv a n t a ge s of e x i s t i ng c r a wl e r t r a ve l l i ng me c h a ni s m s o f c o a l m i n e r e s c u e r o bo t we r e a n a l y z e d f r o m s t r u c t u r e c o m p l e x i t y，o bs t a c l e s ur m o un t i n g pe r f or ma nc e，o p e r a bi l i t y a n d g r oun d b e a r i n g di s t r i b ut i on． I n v i e w o f a d v a nt a ge s a nd d i s a dv a n t a g e s o f e xi s t i n g c r a wl e r t r a v e l l i n g 收稿 日期 2 0 1 5 0 1 2 0 ； 修 回日期 2 0 1 5 - 0 4 0 7 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家高技术研究 发展计 划 8 6 3计划 课题 2 0 1 2 AA0 4 1 5 0 4 。 作者简介 孙国栋 1 9 9 2 一 ， 男 ， 江苏响水人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向为摩擦学理论 、 煤矿救援机器人等 ， E ma i l j o n 1 2 3 3 2 1 c u mt ． e d u ． c n 。 程 序开 始运 行时 ， 即 经过起 始地 点 ， 自动 上传 运 输执行信息 ， 如运输状态、 启动 时间、 启动人等。运 输过 程 中 ， 自动 上传运 输执 行信 息 和运输 路段 信 息 ， 如阅读 器 I D、 运输状 态、 运输 工具、 定点上传 时间 等 。运 送至 目的地 点 时 ， 人 工 确认 后 上 传 运 输 执 行 信息， 如运输状态、 运达时间、 收货人、 物料状态等 。 4 结 语 矿 井物 流管 理 和人员 定位 系统 的智 能终 端有 效 利用 高 性 能 的 3 C 6 4 1 0 、 R F I D技 术 、 Wi F i 技 术 ， 实 现了物料、 设备运输 以及 人员定位信 息 的实 时、 自 动 、 无线上传 。上传 的信息有助于对物料设备信息 进行 查 询 、 统 计 、 分析 、 决 策 ， 工 作人 员 的调度 、 疏 散 、 统计 。实际应用表明， 智能终端运行稳定可靠 ， 且成 本 较低 、 操作 简 易 、 实 用 性 高 ， 满 足 矿 井 物 流 管 理 和 人 员定 位 的需求 。 参 考 文献 [ 1 ] 高连周． 基于 R F I D的现 代物 流管 理 系统研 究 [ J ] ． 长 沙铁道学院学报 社会科学版 ， 2 0 1 3 ， 1 4 1 2 8 2 9 ． [ 2 ] 叶晨成 ， 校景 中， 肖丽． 基 于 R F I D 的井 下 人员 定位 系 统[ J ] ． 武汉理工大学 学报 ， 2 0 1 0 ， 3 2 1 5 1 4 6 1 4 9 ． [ 3 ] 肖林京 ， 文艺 成 ， 孙传余 ， 等． 矿 井物流管理和人员定 位 系统数据库设计 I- J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 4 2 6 2 9 ． [ 4 ] 刘 占杰 ， 张艳 ， 赵 阳． 3 C 6 4 1 0和 C R 9 5 HF的 R F I D读 卡系统设计 I- J ] ． 单片 机与嵌 入式 系统 应用 ， 2 0 1 4 6 7 6 7 9． I- 5 - 1 贺亚茹． 基 于 R F I D技术 的矿 井物 流管 理系统 数据 库 设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 4 9 0 9 2 ． 2 2 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 m e c h a ni s m s ， a ne w s t r uc t u r e o f c r a wl e r me c ha n i s m wa s d e s i gn e d ， a n d t h e o pt i m i z a t i o n c a l c ul a t i o n f o r m u l a s o f t he m a i n s t r uc t u r e d i me ns i o ns wa s g i v e n c ombi n e d wi t h r e l e va nt r e qu i r e me n t s of r e s c ue r o b ot s．CUM T一 5 t y pe r o bo t wa s d e s i gn e d a c c or d i ng t O t he p r op os e d c a l c u l a t i o n f o r m ul a s ． Th e pr a c t i c a l a ppl i c a t i o n r e s u l t s o f CUM T一 5 t yp e r o bo t s h ow t ha t t h e n e w t y pe o f c r a wl e r t r a v e l l i n g m e c ha ni s m ha s s i mp l e s t r uc t u r e ，g o od p e r f o r ma nc e i n ob s t a c l e s ur mo unt i ng a nd g o od ma n e uv e r a b “i t y． Ke y wo r d s c oa l m i ne r e s c ue r o bo t ； c r a wl e r me c ha n i s m ； o pt i m i z a t i o n c a l c u l a t i o n； o bs t a c l e s ur mo un t i ng 0 引言 现 阶段煤 炭 仍 是我 国 的主要 能 源 ， 甚 至可 以说 仍是我国的基础能源。煤炭是 国家资源安全和经济 安全的基础[ 1 ] 。虽然我 国的采煤技术 已经从炮采 发展到综合机械化采煤 ， 采煤技术不断提高 ] ， 煤炭 产量大幅提升 ， 煤矿安全事故也在不断降低 ， 但是事 故 总 数仍然 偏 高 。据 资料 统 计 ， 2 0 1 3年 1 ～ 7月 ， 全 国煤 矿共发 生 瓦 斯 事 故 2 6起 ， 死 亡 2 3 2人l 5 剐。在 避免事故的同时 ， 如何提高搜救成功率也是减轻人 员 伤 亡 的有 效方 法 ， 因为 煤 矿井 下 发 生 瓦斯 爆 炸 以 后 ， 其 原有 的巷 道 、 通信 设 备 均 被 破 坏 ， 救援 队无 法 顺利地到达事发地点， 且次生灾害也随时可能发生 ， 降低 了救援效率， 也严重威胁着救援人员的生命安 全 。为 了解 决 该 问题 ， 中国矿业 大学 于 2 0 0 5 年 研制 出国内首台用于煤矿环境探测以及煤矿灾难搜救的 机器 人 C UMT 一1 。从这 以后 ， 煤矿 救援 机器人 的研 发 引起 了人们 的关 注 。其 中 中 国矿 业 大学 北 京 、 西安科技大学 、 唐山开诚 电气设 备有 限公司等单位 纷 纷 投 入 到 煤 矿 救 援 机 器 人 的 开 发 与 研 制 之 中[ 7 1 0 ] 。同样 ， 国外 的一些研究机 构也 对煤 矿救 援 机 器人 进行 了研 制 ， 典 型 的有 美 国劳 工 部研 制 的世 界 上首 台煤矿 救 援 机器 人 试 验机 R a t l e r _ 1 ， 美 国南 佛罗里达大学研制的矿井搜索机器人 S i m b o t _ 1 。 以 及 美 国卡 内基梅 隆大 学机 器人研 究 中心开 发 的全 自 主矿井探测机器人 Gr o u n d h o g 口 胡等。但是， 纵观 国 内外的每一起煤矿事故， 均没有煤矿救援机器人成 功应 用 的案例 。 众所周知， 机器人是一个高度集成化 的机电产 品 。煤矿救 援机 器人 能否顺 利地 进入 灾 区并很好 地 进行 搜救 工作 取决 于很 多方 面的 因素 ， 其 中 ， 行 走机 构应当作为首要因素进行考虑 。因为煤矿事故发生 后 ， 机器 人所 面对 的环境 十分 复杂 ， 机器人 行走 机构 的性能决定了其能否顺利进入灾区。考虑到煤矿灾 后 的环境 特点 ， 机 器人 的行 走 结 构应 当具 备 环境 适 应性强、 事故率低等特点 ， 同时依托于该行走机构的 机器 人应 便 于操 作 。 因此 ， 本 文 在分 析 现 有 煤 矿救 援 机器人 行走 机构 的优 缺 点 的基 础 上 ， 结 合 以往 的 工 作经验 ， 设 计 了一 种新 的履 带 式煤 矿 救 援 机 器 人 行走机构 。 1现有 履 带式行 走机构 优缺 点分 析 现有 煤 矿救援 机器 人履 带式行 走机 构可 以分 为 普 通 型 、 摇臂 式 、 w 型摇 臂 式 3 种 类 型 。 1 ． 1 普通 型履 带行走 机构 中国矿业 大学 最早研 制 的 C UMT一1型煤 矿 救 援 机器 人 就 是 采 用 普 通 型 履 带 行 走 机 构 ， 如 图 1 所示 。 图 1 基于普通型履带行走 机构的煤 矿救援机器人 基 于该 种 履 带 行 走 机 构 的 机 器 人 越 障 示 意 如 图 2所示 。图 2 a 表 示 机 器 人 驱 动 轮 前 沿 接 触 障 碍 物边缘 ， 机 器人越 障 过程 开 始 ； 图 2 b 表 示 机 器 人 履 带 机 构 接 触 障 碍 物 边 缘 ， 机 器 人 越 障 ； 图 2 c 表 示 机 器 人 重 心 G 越 过 障 碍 物 边 缘 ； 图 2 d 表示机器人主体完全越过 障碍物边缘 ， 机 器 人 越障完 成 。 苫 7， 刀 77 刀 刀 7r 刀 刀 77 l乃 j c d 图 2 基于普通型履带行走 机构的煤 矿救援机器人 越障示意 普通 型履 带行走 机构 结构 简单 ， 便 于操作 ， 但是 2 4 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 w 型履 带行 走 机 构 的 基 础 上 ， 设 计 了一 种 w 扩 展 型 履带 行走机 构 ， 如 图 7所示 。 图 7 W 扩 展 型履 带 行 走 机 构 结 构 W 扩展 型履 带行走 机 构 主要 改 进 了 W 型履 带 行 走机 构 的缺点 ， 加大 了履带 的接 地长 度 ， 这 样 不仅 降低了煤矿救援机器人 的接地 比压， 增强 了煤矿救 援机器人的稳定性， 同时也使机器人具有较好 的越 障性能 。基于 w 扩展型履带行走机构 的煤矿救援 机器越 障示 意 如 图 8所 示 。 图 8 a 表 示 机 器 人 前 端接触到障碍物边缘 ， 越 障开始 ； 图 8 b 表示机器 人通过控制前摆臂开始越障， 机器人 由障碍物边缘 与地面共同支撑 ； 图 8 c 表示机器人重心超过障碍 物边缘 ； 图 8 d 表示机器人主体完全 由地面支撑转 为障碍物支撑 ， 越障完成。 b c d 图 8 基 于 w 扩展 型履带行走机构 的煤 矿救援 机器人越障示意 2 ． 2 w 扩展型履带行走机构尺寸计算 基 于 w 扩展 型 履 带行 走 机 构 的煤 矿 救 援 机 器 人结 构尺 寸如 图 9 所 示 。为 了便 于分 析 计算 ， 将 该 行走 机构 的 主要尺 寸 以字母 进行标 注 。 H 一履带总体高度 ； R一驱动轮半径 ； r ～支撑轮半径 ； m一同侧支撑 轮圆心距 ； L异侧 相近支撑轮 圆心距 ； 一履带 中部距地面高度； 履带 中部倾角 ； a 一履带底部与地面的夹角 图 9 基于 w 扩展型履带行走机构的煤矿救援 机器人结构 尺寸 机器人要 想成 功越过 障碍 物， 需 要满 足 以下 2个条 件 。 1 机 器 人 与 障碍 物 接 触 时 ， 驱 动 轮 中心 距 离 地 面 的 高 度 H ～ R 应 该 大 于 等 于 障 碍 物 高 度 H2 ； 2 机 器人 的重 心 G应 能够 越过 障碍 的边沿 的 延 长线 。 同时 ， 作 为煤 矿救援 机器 人 ， 其外形 尺寸 应该 尽 可 能地小 ， 因此 存 在 一 个最 优 的尺 寸 ， 在 此 尺 寸下 ， 机 器人 既能越 过 一定 高度 的 障 碍 物 ， 又 能使 得 体 积 最 小 。设机 器人 所能 越过 的障 碍物最 大 高 度为 H。 ， 有 如下 方程 成立 。 目标 函数 方 程 Pm／ C O S 等h e o t 卢 1 临界方程 f H 一R ≥ H。 『 ， l 一 h t a n 卢 s in J8 十 l r LC O S H2 I导 一 号 H t a n 一 t a n 卢 2 ． 3 基 于 W 扩展 型履 带行 走 机 构 的 C UMT一 5型 煤矿救 援机 器人 设计 由 2 ． 2节 可 以得 出 W 扩 展型 履带 行 走 机 构 相 关 尺 寸的计 算公 式 ， 在 实 际设计 过程 中 ， 只需要将 相 关参数代入 即可求出履带最优尺寸。 为 了便 于计 算 ， 根 据 实 际设 计 的煤 矿 救 援 机器 人的相关参数 ， 令机器人的重心 G处在机器人整体 高度 的 i ／ 3处 ， 同 时 h 一 1 ／ 2 H 。根 据设 计 要 求 ， 今 R 一 5 0 m m ， r一 40 m m ， 口一 2 0 。 ， H 2 2 0 0 mm 。 使用 数 学软 件 Ma t h c a d中的线 性 规 划 函 数 Mi n i mi z e 求 解履 带最 优尺 寸 。 将已知参数代入式 2 ， 并编写 Ma t h e a d程序， 可得 目标 函数 方程 Mi n z m， L， 口 一 2 m L 08 3 约束条件 H1 5 0 ≥2 0 0 m z 2 0 t a n 导 4 O 2 O 0 L q - m 一 m 4 0 ta n 售 十 一 4 2 5 0 9 ／ T t 0， L 0， 舟 O 2 0 1 5年第 6期 孙国栋等 一种新型煤矿救援机 器人履带行走机构设计 2 5 目标函数值 X Mi n i mi z e Mi n z ， m， L， f1 5 根据约束条件求解最优 目标函数值 ， 得 r l 1 9 ． 7 ] M i n z XO， X1 ， X2 一 6 5 8 ． 3 为 了设 计 与 加 工 方 便 ， 将 所 得 结 果 取 整 数 得 一 1 2 0 mm， L一4 2 0 mm， p 一6 O 。 。 最终 ， 根据所计算的理论值 ， 并结合实际的设计 要求 ， 设计 C UMT一5型煤矿 救援 机器人 样机 ， 如 图 1 O所 示 。 图 1 0 C UMT一 5型煤矿救援机器人样机 3 结 语 在 分 析 现有 履 带 行走 机 构 优 缺 点 的基 础 上 ， 设 计了一种 w 扩展型煤矿救援机器人履带行走机构 ， 该新 型 机构 主要 对 现 有 的 W 型 履 带行 走 机 构 做 了 结构 上 的改 进 ， 一方 面增 加 了履带 的接 地长 度 ， 减小 了接 地 比压 ； 另 一方 面避 免采 用全 接地 形式 ， 减 小 了 机器 人 行走 阻力 。针 对所 设计 的行 走 机构 给 出了该 行走机构相关尺寸 的设计计算公式。最终 ， 将该行 走机构运用到 了 C UMT一5型煤矿救援 机器人上。 实际运行结果表 明， 该行 走机构结构 简单 ， 操 作容 易 ， 接地 比压 小 ， 具有 良好 的越 障性 能 。 参考文献 [1 ] 潘红缨． 国内外 煤矿安全生产 的比较 与借鉴[ J ] ． 当代 矿 工 ， 2 0 0 3 3 2 6 2 7 ． [ 2] 梁凯 ， 兰井志． 我 国能 源可 持续发 展 的对策 分析 [ J ] ． 国土资源 ， 2 0 0 3 7 2 3 2 5 ． [ 3] 刘金 国， 王越超 ， 李斌 ， 等． 灾难救援 机器人研究现 状 、 关键性能及 展望 [ J ] ． 机 械 工 程 学报 ， 2 0 0 6 ， 4 2 1 2 l l Z． [ 4] 郭殿峰． 潞安采 煤技术发展历程 的回顾[ J ] ． 煤 ， 1 9 9 4 ， 3 6 5 8 5 9 ． [5 ] 王玉怀 ， 李 祥仪． 煤矿 事故 中生命价值 经济 评价 探讨 [ J ] ． 中国安全科 学学报 ， 2 0 0 4 ， 1 4 8 2 8 3 0 ． [6] 辽 宁 工 程 技 术 大 学 安 全 科 学 与 工 程 学 院． 2 0 O 8 2 0 1 3 年煤矿事故 统计 及分析 E B ／ OL ] ． 2 0 1 4 1 0 2 7 E 2 O l 5 - 0 1 2 o ] ． h t t p ／ ／ w ww． mk a q ． o r g ／ h t ml ／ 2 0 1 4 ／ 1 O ／ 2 7 ／ 2 7 7 6 8 O ． s h t m1 ． [ 7] 王勇 ， 朱华 ， 王永 胜 ， 等． 煤 矿救灾机 器人 研究 现状及 需要重 点 解 决 的 技 术 问 题 [ J ] ． 煤 矿 机 械 ， 2 0 0 7 ， 2 8 4 1 0 7 1 0 9 ． [ 8] 李 允 旺 ， 葛 世 荣 ， 朱 华．煤 矿 救 灾 机 器 人 应用 探讨 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 1 6 4 1 6 6 ． [ 9] 王 忠民 ， 刘军 ， 窦智 ， 等． 矿难 救援机 器人 的研究 应用 现状与开发[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 7 ， 2 8 1 1 6 - 8 ． [ 1 0 1 董 晓坡 ， 王绪 本． 救 援机器 人 的发 展及 其在灾 害救 援 中 的作 用 [ J ] ． 防 灾 减 灾 工 程 学 报 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 11 2 11 6． [ 1 1 ] MO O C S ，HS I E H Y C ．P a r a l l e l o p e r a t i o n o f b a t t e r y p o w e r mo d u l e s [ J ] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n E n e r g y Co n v e r s i o n ，2 0 0 8， 2 3 2 7 0 l 一 7 0 7 ． [ 1 2 ] MUR P HY R ．R e s c u e r o b o t d e mo n s t r a t e d f o r mi n e d i s a s t e r s[ E B ／ O L] 2 0 0 3 0 8 2 6 [ 2 0 1 4 - 1 2 1 0] ． h t t p ／ ／ c r a s a r ．c s e e ．u s f ．e d u ／ Ma i n F i l e s ／ a u g ．2 6 - 0 2 ． h t m1 ． [ 1 3 ] GAO J u n y a o ，GA O X u e s h a n ，Z HU J i a n g u o ，e t a 1 ． L i g h t mo b i l e r o b o t p o we r c o mmo n t e c h n i q u e r e s e a r c h [ c ] ／ ／ I n t e r n a t i o n a 1 C o n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t Hu ma n M a c h i n e Sys t e m s a nd Cyb e r n e t i c s ，Han gz hou，2 0 09 9 O 一 9 4 ． [ 1 4 ] L I Yu n wa n g ， G E S h i r o n g ， Z HU Hu a ． Mo b i l e p l a t f o r m o f r o c k e r - t y p e c o a l mi n e r e s c u e r o b o t [ J ] ． Mi n i n g S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，2 0 1 0， 2 0 3 6 6 7 1 ． [ 1 5 ] L I Yu n wa n g ， G E S h i r o n g ， Z HU Hu a ． Mo b i l e p l a t f o r m o f a r o c k e r t y p e W s h a p e d t r a c k[ J ] ．Ke y Engi ne e r i ng M a t e r i al s，201 0 41 9 - 4 20 60 9 61 2 ． [ 1 6 ] 李允 旺 ， 葛世荣 ， 朱华 ， 等．四履带 双摆臂机 器人越 障 机理及 越 障 能 力 研 究 [ J ] ．机 器 人 ， 2 0 1 0 ， 3 2 2 1 57 - 1 6 5 ． [ 1 7 ] 李允 旺 ， 葛世荣 ， 朱华 ． 摇杆式履带悬架 的构 型推衍及 其在煤 矿救灾机器人上的应用[ J ] ． 机器人， 2 0 1 0 ， 32 1 25 3 3．