履带式搜救机器人机械结构设计说明书

I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、3D建模，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；IIAbstractCoal 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 importantThe 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 peoples 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 IIImobile body; modular design i目 录前 言 .11 绪 论 .31.1 课题研究背景及意义 .31.1.1 课题研究背景 .31.1.2 课题研究意义 .31.2 国内外的研究概况 .51.2.1 国外研究现状 .52.2 国内研究现状 .101.2.3 发展趋势 .112 搜救机器人的总体结构方案设计 .122.1 井下复杂环境对救灾机器人的要求 .122.2 典型移动机构方案论证分析 .132.2.1 轮式移动机构特点 .132.2.2 腿式移动机构特点 .142.2.3 履带式移动机构特点 .152.2.4 履、腿式移动机构特点 .162.2.5 轮、履、腿式移动机构性能比较 .172.3 本研究采用的行走机构 .172.4 救灾机器人性能指标与设计 .182.5 本章小结 .193 矿用搜救机器人运动参数设计计算 .203.1 机器人越障分析 .203.1.1 机器人跨越台阶 .20ii3.1.2 跨越沟槽 .213.2 斜坡运动分析 .223.3 本章小结 .234 机器人移动平台机械设计 .244.1 驱动电机的选则 .244.1.1 基于平地的最大速度的电机功率计算 .244.1.2 爬坡最大坡度的驱动电机功率计算 .254.2 本章小结 .265 驱动轮减速器设计 .275.1 减速器方案分析 .275.1.1 减速器应满足的要求 .275.1.2 减速器方案分析 .275.2 减速器的设计计算 .295.2.1 减速器的传动方案分析 .295.2.2 配齿计算 .295.2.3 初步计算齿轮的主要参数 .305.2.4 装配条件的计算 .345.2.5 高速级齿轮强度的验算 .355.2.6 轴的设计及校核 .445.3 本章小结 .466 移动机构履带及翼板部分设计 .476.1 履带的选择 .476.1.1 确定带的型号和节距 .486.1.2 确定主从动轮直径 .486.1.3 确定节线长度和带宽 .49iii6.2 翼板部分设计 .516.3 本章小结 .517 机器人摇臂的设计 .527.1 摇臂作用概述 .527.2 摇臂传动减速器设计 .537.3 本章小结 .558 总结与展望 .56致 谢 .58参考文献 .591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2.00；2007年全国矿难死亡1600人，百万吨死亡率为2.1；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1.84，其中一次死亡39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； 22006 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、CO、氧气的浓度、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。31 绪 论 1.1 课题 研究背景及意义1.1.1 课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。1.1.2 课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2.00；2007年全国矿难死亡1600人，百万吨死亡率为2.1；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1.84，其中一次死亡39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。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、CO、氧气的浓度、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。1.2 国内外的研究概况1.2.1 国外研究现状目前，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(TMR)计划中的便携式机器人系统(MPRS)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RATLER矿井探索机器人用于灾难后的现场侦查工作，采用电传遥控方式，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Simbot矿井搜索机器人,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1-1,1-2所示，这是美国iRobot的一种较小型“PackBot”机器人，现服役于美国军队，这个“PackBot”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。 “PackBot”机器6人还以进行挖掘和拆弹工作。配备了称为“explosive ordnance disposal”(eod)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1-2这种iRobot SUGV的机器人是一种小型地面探测车，重量仅为30磅。它带有一个称为“tactical head”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 1-1 RackBot 准备展开图 1-2 SUGV 机 器 人Foster-miller公司研制了Talon机器人，该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。Talon机器人可以完成7各种侦察、巡逻工作。机器人外形参数尺寸为86.4cm57.2cm27.9 cm，重约39Kg，能潜水30.5m，爬45度斜坡。图1-3 Talon机器人2003年，澳大利亚SIMTARS煤矿研究人员与美国机器人辅助救援中心(CRASAR)合作，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。CRASAR希望能够进一步为该机器人添加新型的医学传感器，让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。Inuktun公司推出的UGTV机器人具有独特履带可变形功能(如图1-4所示)，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Sherbrook大学研制的AZIMUT机器人(如图1-5所示)，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1-4 UGTV机器人 图1-5 AZIMUT机器人仅在一两年前，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 telemax9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 telemax 行 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 500mm 的 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 2350mm。 它的 钳 子 可 以 吊 起 重 达 5Kg 的 货 物 ， 这 就 意 味 着 它 可 以 装 配 弹 道 系 统和 其 它 工 具 。 图 1-8 telemax 防 爆 机 器 人102.2 国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1-9所示） 。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1-9CUMT-1型矿井搜救机器人111.2.3 发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。122 搜救机器人的总体结构方案设计2.1 井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13觉防尘等功能。2.2 典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。2.2.1 轮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2-1所示。14图 2-1 轮式移动装置示意图2.2.2 腿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2-2所示，特点是稳定性好，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；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 2-2 八腿机器人 2.2.3 履带式移动机构特点履带式移动机构分为l条履带、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2-3为一部分履带式移动机构的简图16图 2-3 履带式移动装置示意图2.2.4 履、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。172.2.5 轮、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 2-1 所示。表 2-1 典型移动机构的性能对比2.3 本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2-4所示。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18图 2-4 便携式履带机器人结构组成1.后轮驱动电机及组件 2.摆臂电机及组件 3.主履带 4.摆臂履带 5.齿轮2.4 救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 2-4 所示。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：19L1=600mm,L2=350mm,R=80mm,r=35mm,B(车体宽度)=500mm。车体质量为50kg,摆臂质量不超过 5kg,机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=300mm，跨越最大沟壑宽度 C=500mm。如 2-5 图：图 2-52.5 本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。203 矿用搜救机器人运动参数设计计算3.1 机器人越障分析3.1.1 机器人跨越台阶（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 3-1 所示，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 3-1 机器人爬越台阶过程21由运动过程可以看出，机器人在越障第三阶段图 3-1（C）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 3-2 机器人上台阶临界状态示意图由图 3-2 所示几何关系可得：（1）cos()cot/sinxLhR变换式（1）可得： （2） in/（3） 2ss0d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。maxh3.1.2 跨越沟槽（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22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。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 3-3 跨越沟槽示意图机器人在平地图 3-3（a）跨越沟槽的宽度 ： （4）1Lmax1r在角度为 的斜坡图 3-3(b)上跨越沟槽的宽度 ：（5）max1tanLrh3.2 斜坡运动分析机 器 人 在 斜 坡 上 运 动 时 ， 起 受 力 情 况 如 图 3-4 所 示 ， 机 器 人匀 速 行 驶 或 静 止 时 ， 其 驱 动 力 ： （6）sinFG图 3-4 机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： （7）maxcosFG23当 时，机器人能平稳行驶。maxF当 时，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: （8）1maxtn()爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为：（9）ax(cosi)g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。3.3 本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 ；垂直越障高度最大为300mm：最大03跨沟宽度为500mm。244 机器人移动平台机械设计4.1 驱动电机的选则4.1.1 基于平地的最大速度的电机功率计算假设机器人以最大速度 匀速前进，轮子作瞬时纯滚动，前进sm1时不考虑空气阻力的影响。如下图所示：平地直线运动受力图根据理论力学平面交汇力系平衡条件和合力矩定理：0F1IniOM则，移动机器人平地直线运动的平衡方程为： 0,0, 31221 mgLNfRFmgNYfXLRO25则， NmgLNfRML 52.312可以得出，机器人两侧电机经减速器后在最大速度下需要提供的极限扭矩为 11.76Nm。在最大的行驶速度下，驱动电机经过减速箱减速后需要提供的极限转速为： min43.19maxrDvn4.1.2 爬坡最大坡度的驱动电机功率计算相对于平地行驶过程，爬坡能力对于机器人的驱动能力是一个重要的衡量标准，所以在进行驱动系统设计时，爬坡指标的计算也应作为选择电机的必须依据。假设移动机器人在最大指标上匀速行驶，速度为 0.1 。在行驶sm过程中轮子作纯滚动，不考虑空气阻力的影响。机器人爬坡受力情况如图：机器人爬坡受力图爬坡的平衡方程为：26 03cos,003cosin, 1221 mgLNfRMFmgNYfXLRL解之得：M =43.12Nm,可以得出机器人两侧电机经减速器减速后在L最大坡度下爬坡需要提供的极限扭矩为 21.56Nm.在 0.1 的速度爬坡时，驱动电机经过减速器后所需提供的转速sm为：n= =11.94Dvinr4.2 本章小结由以上分析可知，机器人平地直线运动时要求的驱动电机输出转速较大，而爬坡时的要求的驱动电机输出扭矩较大。因此在选电机型时，应根据平地直线运动要求转速和爬坡要求扭矩进行选择。根据最大爬坡要求，初步确定驱动电机经减速器后的功率为：=53.8W30nMKPL则所需电机的输出功率为： =88.19Woutin则可选择如下表 4-1 电机：表 4-1 电动机性能参数产品型号 电压 额定电流 转速 输出功率 效率Maxon-Ec45 24V 6.5A 1800r/min 150W 79%275 驱动轮减速器设计 移动减速传动机构是完成机器人前进、后退、转向等各种运动的关键部件，利用齿轮的速度转换，将动力机的转速减低到所需的转速，同时扭矩达增大到所需的扭矩。本机构采用二级减速器，电动机通过减速器的实现减速、增大转矩。电动机安装在减速器前端，通过锥齿轮改变轴的方向，输出履带驱动轮转矩，为复杂状况下救灾机器人提供主要动力。5.1 减速器方案分析5.1.1 减速器应满足的要求（1）目前大部分的煤矿都处于深井开采，深度大都为数百米，甚至上千米，远远深于恒温带的深度，随着深度的增加，地温逐渐升高，造成地下温度很高。减速器必须满足在高温下工作要求；（2）我国开采的矿井，大部分都为高瓦斯矿井，井内充满了浓厚的瓦斯。减速器应有隔爆防爆的作用；（3）搜救机器人的行驶路况复杂，在行驶过程的启动、停止、前进与后退换向频繁。其载重较大，要有较大的启动转矩，启动平稳，换向灵敏；（4）搜救机器人遥控操作，电动机用蓄电池提供能源。体积要小，重量要轻。5.1.2 减速器方案分析减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相组合起来的减速器；按照传动级数可分为单28级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式由可以分为展开式、分流式和同轴式减速器。（1）展开式齿轮减速器结构简单，但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度。高速级齿轮布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩的作用下产生的扭矩变形和在载荷作用下轴产生的弯曲变形可部分的互相抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均匀的现象。用于载荷比较平衡的场合。（2）同轴式齿轮减速器横向尺寸较小，两对齿轮侵入油中深度大致相同。但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难以充分利用，适合小型、微型机械适用。（3）蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。（4）行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大，但价格略贵。另外行星减速箱，有平齿和斜齿 2 种，精度和价格都有不同。（5）谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差，输入转速不能太高，价格较高。根据复杂路况下搜救机器人的行驶速度及各项工作要求，综合各种减速器的特点，本设计采用二级减速传动，依传递运动和转矩，又根据减速箱空间的限制采用二级行星齿轮减速器。295.2 减速器的设计计算5.2.1 减速器的传动方案分析根据上述设计要求可知，该行星轮减速器传递功率高，传动比较大，工作环境恶劣等特点。故采用双级行星齿轮传动。2K-H 型结构简单，制造方便，适用于任何情况下的大小功率的传动。选用由两个 2X-A 型行星齿轮传动串联而成的双级行星齿轮减速器较为合理，名义传动比可分为 进行传动。6,21ip5.2.2 配齿计算根据 2K-H 型行星齿轮传动比 的值和按其配齿计算公式，可按第ip一级传动的内齿 ，行星齿轮 的齿数。先考虑到该行星齿轮传动的b1c1外廓尺寸，故选取第一级中心齿轮 数为 23 和行星齿轮数为 。a3np根据内齿轮 ，则 。ziab1151b对内齿轮齿数进行圆整后，此时实际的 P 值与给定的 P 值稍有变化，但是必须控制在其传动比误差范围内。实际传动比为:6zabi1其传动比误差 0i根