煤矿探测机器人行走机构设计与步态分析.pdf
第 4 3 卷 第 6期 2 0 1 7年 6月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 . 4 3 NO . 6 J u n .2 01 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 6 0 0 4 7 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 7 . 0 6 . 0 1 1 蔡李花 , 方海峰 , 高进可 , 等. 煤矿探测机器人行走机构设计与步态分析E J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 7 , 4 3 6 4 7 5 1 . 煤矿探测机器入行走机构设计与步态分析 蔡李花 , 方海峰 , 高进可 , 吴群彪 , 李允 旺 1 . 江苏 科技 大学 苏州理 工 学 院 ,江苏 张家 港2 1 5 6 0 0 ; 2 . 中 国矿业 大 学 机 电工程 学 院 ,江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 摘 要 为 了适 应煤 矿 井下 复杂地 形 , 设计 了一 种煤 矿探 测机 器人 行走 机 构 躯体 为 圆形 , 6条腿 均 布在 躯 体 四周 ; 躯 体及 腿 部采 用 高强度 铝合 金 材料 , 整机 仅 8 0 0 g 。 对该机 器人 直 线行走 步 态 、 原 地转 向 步态及 其运 动能 力进 行 了分析 。采 用 S o l i d wo r k s 和 AD AMS软 件 建 立 了机 器人 仿 真模 型 , 对 其进 行 仿 真及 样 机 试 验 , 结果 表 明 , 机 器人 单 次旋 转动 作的 最 大完成 角度 迭 2 4 。 , 最 多 2次旋 转操 作 即可 完成任 意 角度转 向 ; 机 器人 直 线行走 时平均 速度 达 0 . 1 m/ s , 其位 移 、 速 度及 加 速度 变化较 规 律 , 运 动较 平稳 , 没 有 出现剧 烈抖 动 。 关键词 煤矿救援 ; 救 灾机 器人 ; 探测机器人 ; 行走机构;步态分析 中图分类号 TD 6 7 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 7 - 0 5 2 6 0 9 5 1 网络 出版地 址 h t t p / / k n s . c n k i . n e t / k c ms / d e t a i l / 3 2 . 1 6 2 7 . T P . 2 0 1 7 0 5 2 6 . 0 9 5 1 . O 1 1 . h t ml M o v i n g me c h a n i s m d e s i g n o f mi ne us e d d e t e c t i o n r o b o t a n d i t s g a i t a na l y s i s CAI Li h u a , FANG Ha i f e n g , GAO J i n k e , W U Qu n b i a o , LI Yu n wa n g 。 1 . S u z h o u I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ,J i a n g s u Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Z h a n g j i a g a n g 2 1 5 6 0 0,Ch i n a;2 . S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g, Ch i n a Un i v e 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 I n or de r t o a da p t t o c o mpl e x t e r r a i n i n c o a l mi ne u nd e r gr o un d,a mov i n g me c ha n i s m o f m i ne - u s e d d e t e c t i on r o bo t wa s d e s i gne d.The r o bo t h a s a c i r c ul a r bo dy,a n d i t s 6 l e g s a r e un i f o r m l y d i s t r i bu t e d a r ou nd t he b od y.The b od y a nd l e gs a r e pr oc e s s e d b y u s e of hi g h s t r e ng t h a l u m i n um a l l o y ma t e r i a l ,a nd q u a l i t y o f t he r o bo t p r ot o t y pe i s o nl y 8 0 0 g. St r a i ght l i ne wa l ki ng ga i t , t ur n i ng po i n t g a i t a nd mot i on a bi l i t y of t he r o b ot we r e a na l y z e d.A s i mul a t i o n mo de l o f t h e r ob ot wa s bu i l t by u s e o f So l i d wor ks a nd ADAM S s of t wa r e.a nd t he mod e 1 a nd p r o t ot y pe we r e t e s t e d.The t e s t r e s ul t s s ho w t h a t t he m a xi mum i m p l e m e nt a t i o n a ngl e o f t he r o bo t i s 2 4。i n on c e r ot a t i o n.Th us t he r o b ot c a n c ompl e t e r o t a t i on wi t h a ny d e g r e e i n t wi c e r o t a t i o n .Av e r a g e s p e e d o f t h e r o b o t i s 0. 1 m/ s i n s t r a i g h t l i n k wa l k i n g,a n d d i s p l a c e me n t , v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n c h a n g e s r e g u l a r l y .Th e r o b o t mo v e s s mo o t h l y wi t h o u t o b v i o u s j i t t e r . Ke y wo r d s c o a l mi ne r e s c u e;d i s a s t e r r e s c u e r ob ot ;d e t e c t i on r o bo t ;m o v i ng m e c ha n i s m ;ga i t a na l y s i s 0 引 言 煤 矿井 下发 生 瓦斯爆 炸事 故后 , 灾 区气 温升 高 , 粉尘 浓 度增 大 , 瓦斯及 其他 有 毒气 体积 聚 , 随时 可能 发生 二次 爆炸 或 多次爆 炸 ; 巷道 内设 备错 乱 , 顶板 垮 落堆 积 , 地 形崎 岖 不 平 ; 部 分 顶 板 不稳 定 , 随 时可 能 发生 冒落 。这给搜救工作带来很大的困难和危险 , 使得救援人员难 以在第一时间进入事故现场开展侦 察和 救援 任务 , 甚 至造 成 救 护 人 员 伤 亡Ⅲ 。为 顺 利 开 展灾 后救 援工 作 , 提 高救 援 效 率 , 减 少 人 员 伤亡 , 收稿 日期 2 0 1 7 0 1 2 1 ; 修 回日期 2 0 1 7 0 4 2 0 ; 责任编辑 李明 。 基金项 目 国家 自然科学基 金资助项 目 5 1 2 0 5 3 9 1 ; 江苏省普通 高校 自然科学研究项 目 1 4 K J D 4 4 0 0 0 1 ; 江苏科技 大学青 年科研基金 资助项 目 6 3 5 27 1 2 05 。 作者简 介 蔡 李花 1 9 8 4 一 , 女, 江苏启东人 , 讲师 , 博士 , 研究方 向为机器人技术 、 机 电系统设计 , E ma i l j u s t c a i l i h u a 1 6 3 . c o rn。 l 8 工矿 自动 化 2 ] 1 7年 第 4 3卷 迫 切需 要研 发 替代救 援 人 员进 入灾害 现场进 行 环境 探 测 干 搜救 工作 的 矿川 机器 人。。。 采川 机器 人辅 助进 行瓦 斯爆 炸灾 后环 境探 测工 作 . 先要 求机 器人 能够 适应 矿井 非结 构地 形 。 冈此 研 究煤 矿探 测机 器 人行 走机 构是 开发 探测 机器 人 的 首要任 务 与重点 。探 测机 器 人行 走机 构成 满足 3个 要 求 ① 具有 较 好 的 地 肜 适 应 性 和 越 障 性 能 , 叮进 入火 【 x ; ② 具 有 防爆性 能 ; ③ 可 为通 信 检 测 装 置提 供 载休 。要 求① 是探 测 机器 人进行 井 下救援 I 作 的 基 本条 件 , 是制 约探 测机 器 人井下 应 月 j 的技 术瓶 颈 , 也 是 探 测 机 器 人 研 发 的 技 术 难 点 与 _火键 ; 要 求 ③ 、 ⑧ 是 对要求 ① 的制 约 。 现 阶 段 煤 矿探 测 机 器 人 大多 采 用 履带 式 结 构 , 虽 然具 有较 好 的越 障 能 力, 但 受 限 于其 动 方 式 与 机 械结 构 . 无 法 做 得 很 小 , 也 不 能 在 倾 覆 后 动 校 正 。近年 来蜘 蛛 型 、 蛇 型 、 土拨 鼠型 、 昆虫 型 等仿 生 机器 人 得剑大 力 发 展 , 其 具 有 极 强 的地 形 适 应 能 力 , H . 体 积小 、 运 动速 度 快 。多 足仿 生机 器人 与 采 川轮 子 、 履带 等方 式移 动 的机器人 相 比, 可 以越过 不 规则 、 松 软 的地 形 保 持机 体稳 定 , 可 以跨 越 障碍 物 、 壕 沟干 楼梯 , 可 以伞方 位 移动 。研 究 多 足仿 生 机 器 人 埘 煤 矿 灾 害 救 援 具 有 重 要 的 现 实 意 义 j。 为 进 一 步提 高 煤 矿探 测 机 器 人 的运 动 性 能 , 本 文 没 汁 J , 一 种 圆 形 六 足 结 构 的探 测 机 器 人 行 走 机 构 . 研究 _ r 探 测机 器 人行 走步 态 . 并 对 其运 动能 力进 行 J 分析 及验证 。 1 探测 机 器人行 走 机构设 计 考 虑 到探 测 机 器 人 运 动时 的 转 向 问题 , 将 六 足 机 器人 躯 体 没计 为 圆 形 . 并 将 躯 体 与腿 部 的连 接 部 分延长 . 使机 器 人 腿 部 获 得 更大 的运 动 问 。 为提 高探 测 机器 人 的灵 活 件 井 降低 其 功 耗 . 舵 机 有 足 够旋 转 空 f1 _1J 且互 不 影 响 的前 提 下 , 尽 可能 使 机 器 人 结构 紧 凑 。 形六 足探 测机 器人的 6条腿 均 j 网肜躯 体 周 ⋯ . 通 过髋 关节 舵机 卜 j 躯 体 连接 。 相 邻 2条腿之 问 夹 角为 6 。 ; 各腿结 构 相 同 , 均 南上 支腿 和下 支 腿 通 过膝 火 舵 机连 接组 成 。Ji i li 部 及躯 体均 选 H j 密度 较 小 的 l 0 6 0高 强度 铝 合金 , 大 大 减 小 了整 机 质 量 , 有 利 于提 高 机 器 人行 走 速 度 。采 用 S o l i d wo r k s对 探 测机 器 人 建模 . 如 图 1 所爪 。 网 l 肜 八 足 测 机 器 人擞 , 彤 六 足探 测 机器 人文 物如 2所 其 机械 结构 质量 约 为 5 5 0 g , f u 路 板 为 1 5 0 g . 1 tz 池 为 l O 0 g , 总 质量仪 约 8 0 0 g. 较 为轻便 。 2探 测机 器人 步 态分析 2 . 1 直 线行走 步 态 彤六 足探 洲机 器人 线行 走 步 念 分析 如 3 所示 。机 器 人 的 6条 腿 按 顺 时 针 力 ‘ ⋯ 标 为 1 . 2 . ⋯ . 6 。 号虑 到 机 人 仃 走时 的 稳定 及 霞 心等 }人 1 索 。 将 l , 3 . 5号 腿 分 为 人 绀 . 2 . 4 , 6 腿分为 B组 。 3中每 个行 走步 态包括 机 器人 整体 的俯视 示 意和 1 2 组 褪 的摆角 示 意 。 3 a 图 3 f 依 次 为圆形 六 怂探测 机器 人 直线 l j i 『 进 的 1个周转 J 步 态 分解 。其 中 3 a 为六 足初 始状 态 .I 支腿 与 方 呈 3 0 。 . 下 支腿 垂 直于地 ; I 3 b 为六 足 胁进 的 预 备动 作 状 态 . A组 各 条腿抬 起 . 表现 为下 支 J_ .j 直方 向呈 3 0 。 。 3 . 5号腿 的髋 火 旋转 3 0 。 ; 3 、 勾六 足前 进 的定 位 动 作状 态 . 1 ’ 腿 的 股 关 节 ㈨条欠 1 相 互 合 , 2个关节 的旋转 度 接决 定 八 仃进 的 距 离 . 3, 5号腿 膝关 节旋 转 , 使得 I 支腿 按倒{ 地 而 ; 冈 3 d 为六 足调整 躯体 的 颅 备动 作 状态 , 此 } f 1J ‘ A 组 各 条 腿 已经就 位 , 能 支持 机 器人 躯体 , B组 条腿 的膝 关 节 旋 转 , 使 得 I 支 离 阡地 面 ; 3 t - 为六 足 前 进 动 2 0 1 7年 第 6期 蔡李花等 煤矿探测机器人行走机构设计与步态分析 4 9 e 前进动作状态 f 恢复初始状态 图 3 圆形六 足探测 机器人直线行走步态分析 作状 态 , 调 整 A 组 各 条 腿 的髋 关 节 角 度 , 使 躯 体 和 腿部 的角 度恢 复 到初 始 状 态 , 同时 1号 腿 的股关 节 和膝关节调整角度 , 使上支腿与竖直方 向呈 3 O 。 , 下 支腿 垂直 于地 面 ; 图 3 f 为 六 足 恢 复 初 始 状 态 , 将 B组各 条腿 的膝关 节 调 整 到 初 始 状 态 , 并 为下 一 周 期 的前进 做准 备 。 2 . 2 原 地转 向步 态 以 圆形六 足 探 测 机 器 人 原 地 旋 转 1 5 。 为 例 , 分 析机 器 人 行 走 步 态 , 如 图 4所 示 。其 中图 4 a 为 六足初始状态 , 上支腿与竖直方 向呈 3 0 。 , 下支腿垂 直 于地 面 ; 图 4 b 为六 足旋 转 准备 状 态 , A 组 各 条 腿 抬起 , 表 现为 下支 腿与 竖 直方 向呈 3 0 。 ; 图 4 c 为 六 足旋转状 态 , A组各条腿 的髋关节 旋转 5 5 。 ; 图 4 d 为六 足恢复 初始 状态 的准 备 阶段 , A 组 各 条 腿 的膝 关 节恢 复初 始状 态 , 接 触 地 面 , 做 好 下 次 运 行 准 备 ; 图 4 e 为六足旋转准备 状态 , B组各条腿抬起 , 表 现 为下 支腿 与 竖 直 方 向呈 3 0 。 ; 图 4 f 为 六 足 旋 转 状态, B组各条腿的髋关节旋转 5 5 。 ; 图 4 g 为六足 恢 复初 始状态 的准 备 阶段 , B组 各 条 腿 的 膝关 节恢 复初始状态 , 接触地面, 做好下次运行准备 ; 图 4 h 为六 足恢 复初 始 状态 , 六 足 的整 个 髋 关 节 配 合 旋转 一 定角 度 。 2 . 3 运 动 能 力 圆形 六 足探测 机器 人 的最 大跨 度受地 形 和结 构 参数 的影响 , 直线 行 走 达 到 最 大跨 度 时 腿 部 姿 态 如 图 5所示 。其 中 L 为 机 器 人 上 支 腿 长 度 , L 为下 支腿 长度 , R 为 初始状 态跨 度 , R 为 最 大跨 度 。经 测 量知 L 1 5 5 ml T l , L 2 1 0 5 mm, 由勾 股 定 理 可知 R⋯ [ L 1 L2 一 L 2一 L 1 s i n 3 0 。 ] ≈ 1 49 . 4 mm 3仿真 与样 机试 验 3 . 1仿 真 试 验 基于分形插 值 与三 次样 条插 值 运算 方法 , 在 AD AMS软 件 中模 拟 三维 地 形 , 进 而 模 拟灾 后 井 下 巷道 环境 , 如 图 6所 示 。 将 S o l i d w o r k s中建 立 的 圆形 六 足探 测 机 器 人 模 型 导入模 拟 灾 后 巷 道 , 并 采 用 ADAMS / Vi e w 约 束库 中的运动副来约束仿真模型中各部件 的运动。 基于 机器人 步 态分 析 图 3 、 图 4 , 设 置 机 器人 各 舵 机 转 角及 时序 , 对机 器 人 直 线行 走 及 原 地 转 向进 行 动作 仿 真 。 通 过 AD AMS 后 处 理 模 块 可 观 察 到 整 5 O 工矿 自动化 2 O 1 7年 第 4 3卷 30。3O。 。 , 30 .3 0 3 5 a 初始状态 b 旋转准备状态 A组腿动作 c 旋转状态 A组腿 动作 d 恢复初始状态 的准备 阶段 A 组 腿 动 作 30 , 3 0。 3 5 3 5 6 4 2 6 4 2 e 旋转准备状态 B组腿动作 f 旋转状态 B组腿动作 g 恢复初始状态 的准备 阶段 B组腿动作 图 4原地转 向步态分析 图 5探 测 机 器 人 直 线 行 走 达 到 最 大 跨 度 时 腿 部 姿 态 个仿真过程。仿真结果表 明, 该机器人能够顺利完 成直线行走及原地转 向动作 , 单次旋转动作 的最大 完成 角度 达 2 4 。 。由于 机 器人 具 有 独 特 的圆 形 对 称 体型, 任意 2条腿间角度为 6 O 。 , 所 以任意角度都可 以 转换为6 0 。 内进行处理 , 使机器人旋 转到任意指 恢复初始状态 a j 三 维模拟地形 b 模拟灾后巷道 图 6 仿真试验模型 川 姘 _厂 一 二 二 二 二 u。 -』 二 二 , 未 二 二 2 0 1 7年 第 6 期 蔡 李 花等 煤矿探 测机 器人行 走机 构设 计 与步 态分析 5 1 定位 置可 通过 最 多 2次旋 转 操 作 完 成 , 极 大 地 简 化 了原地转 向操作 , 提高了机器人 的运动能力 。 3 . 2样 机 试 验 为进 一 步验证 圆形 六 足探 测机 器人 步态 分析 的 正确 性及 其 行走 机 构 的 运 动 能力 , 将 机器 人 样 机 置 于 实 验 室 环 境 进 行 试 验 , 并 采 用 OP TOT RA K C E RTUS三维 姿 态 捕 捉 系 统捕 捉 机 器人 行 走 时 的 三维 姿态 。以机 器人 直线 行走 步态 试验 为例 进行 分 析 。在机 器人 躯 体 中 心处 设 置 标 记 点 , 得 到 该 点 沿 行 走 方 向的位 移 、 速 度 及 加 速度 曲线 , 如 图 7 所 示 。 可看 出机 器人 平均 速 度达 0 . 1 m/ s , 其位 移 、 速 度 及 加 速度 变 化较 规律 , 运 动较 平稳 , 没有 出现剧 烈抖 动 现象 ; 当机 器人 足端 与 地面 碰撞 时 , 发生 轻微 摆动 和 震动 。 时 同 / 图 7 机器人 标记 点运动参数 曲线 4 结 论 1 为适 应 煤 矿 井 下 瓦 斯 爆 炸 灾 后 复 杂 地 形 , 设计了探测机器人行走机构 躯体为圆形 , 6条腿均 布在躯体四周 ; 机器人躯体及腿部均采用高强度铝 合金材料 , 样机质量仅 8 0 0 g 。 2 采 用 S o l i d wo r k s和 AD AMS建 立 了 机 器 人仿 真模 型 , 并对 机 器 人 直 线 行 走 和 原地 转 向运 动 进行 了仿 真 , 结果 表 明该 机 器人 可 以顺 利 完 成 直 线 行走 及原 地 转 向动 作 , 单 次 旋 转 动作 的最 大 完 成 角 度达 2 4 。 , 即最 多进 行 2次旋 转 操作 即可 使机 器人 转 到 任意 指定 角度 。 3 对 机器 人样 机 进行 了 直 线行 走 试 验 , 得 到 机器 人躯 体 中心 沿 行走 方 向 的位 移 、 速 度 及 加 速 度 曲线 。结 果 表 明 , 机器 人平 均 速度 达 0 . 1 m/ s , 其 位 移 、 速 度及 加 速 度变 化 较规 律 , 运 动 较 平稳 , 没 有 出 现剧烈 抖 动现象 。 参 考文献 方海 峰 , 张礼 华 , 李 允旺 , 等. 煤矿灾 后环 境下 机器人 能耗 模型研究[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 5 , 4 1 2 2 1 2 4 . 张祖 敬 , 刘林 , 王克全. 矿 山应 急救援 人员 自身伤 亡原 因及应对 策略[ J ] . 中国煤炭 , 2 0 1 6 , 4 2 1 8 8 9 1 . 田子 建 , 高学 浩. 基 于改进 人工势 场法 的救灾 机器人 路径规划 l- J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 6 , 4 2 9 3 7 4 2 . 魏毅龙. 煤矿井下探测 与搜救机 器人机械系统设计与 研究 l- D ] . 徐州 中国矿业 大学 , 2 0 1 4 . 李腾 , 杨雪 锋 , 路恩 , 等. 四段 式轮 一 履 结合 煤矿 井下 探测 机 器 人 结 构 设 计 及 越 障分 析 [ J ] . 煤 矿 安 全 , 2 0 1 6 , 4 7 1 2 1 1 7 1 2 1 . 由韶泽 , 朱华 , 赵勇 , 等. 煤 矿救 灾机器 人研 究现状 及 发展方 向[ J ] . 工矿 自动化 , 2 0 1 7 , 4 3 4 1 4 1 8 . LI Yu nwa ng, GE Shi r on g, TI AN Fe ng . Ana l y s i s a n d t e s t o n r o u g h t e r r a i n a d a p t a t i o n p e r { o r ma n c e o f t he r oc ke r - t y pe w- s h ap e d t r a c k c o a l mi n e e x pl or i n g r o b o t l, J ] .I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y J o u r n a l ,2 0 1 3 , 1 2 1 4 2 9 2 1 2 9 2 8 LI Yu nwan g,YAN Xuc on g,TI AN Fe ng, Ana l y s i s a n d t e s t o n s t e p s u r mo u n t i n g p e r f o r ma n c e o n a w s h a p e d t r a c k r o b o t l, J ] .Op e n Au t o ma t i o n a n d C o n t r o l S y s t e ms J o u r n a l ,2 0 1 5, 7 1 7 4 8 3 . 冯勇. 仿 土拨 鼠矿难救灾机器人控制系统关键技术 研 究l- D] . 合 肥 中国科学技术大学 , 2 0 1 2 . 朱斌 , 雷利伟 , 贾瑞清. 煤矿探测 救援 机器人研究现 状 及其应 用 I- J ] . 机 电产 品开 发 与 创 新 , 2 0 1 3 , 2 6 6 1 4 1 6. 苏学满 , 孙丽丽 , 许德章. 六 足矿 井搜 救探测机器人 越 障动力 学 建 模 与 分 析 [ J ] . 机 械设 计 , 2 0 1 6 , 3 3 2 1 OO 一 1 04 . 金振林 , 张金柱 , 高峰. 一种消 防六足机器 人及其腿部 机 构运 动 学 分 析 [ J ] .中 国机 械 工程 , 2 0 1 6 , 2 7 7 86 5 87 1 . 王 国彪 , 陈殿生 , 陈科 位 , 等. 仿 生机 器人 研究 现状 与 发 展趋 势[ J ] . 机械工程学报 , 2 0 1 5 , 5 1 1 3 2 7 4 4 . 刘建. 矿用救援机器人 关键 技术研究 [ D] . 徐州 中国 矿业大学 , 2 0 1 4 . 贾 阿丽. 救灾搜索机器人 的关键技术 设计 与实 现[ J ] . 山西大同大学学报 , 2 0 1 6 , 3 2 6 2 7 3 5 . ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] i 一 一 一 一 一 0 一 一 一 一 钉 明 蜘 [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ 一 ∞ . 5\ 器 I 1. ∞ . 曼\ 髓煅 g \