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履带式搜救机器人机械结构设计【10张CAD图纸+毕业论文】

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关键词：: 履带式搜救机器人机械结构设计全套 cad 图纸毕业论文

资源描述：

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；

Abstract

Coal 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 important

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 mobile body; modular design

前言 1

1 绪论 3

1.1 课题研究背景及意义 3

1.1.1 课题研究背景 3

1.1.2 课题研究意义 3

1.2 国内外的研究概况 5

1.2.1 国外研究现状 5

2.2国内研究现状 10

1.2.3 发展趋势 11

2 搜救机器人的总体结构方案设计 12

2.1 井下复杂环境对救灾机器人的要求 12

2.2 典型移动机构方案论证分析 13

2.2.1 轮式移动机构特点 13

2.2.2 腿式移动机构特点 14

2.2.3 履带式移动机构特点 15

2.2.4 履、腿式移动机构特点 16

2.2.5 轮、履、腿式移动机构性能比较 17

2.3 本研究采用的行走机构 17

2.4 救灾机器人性能指标与设计 18

2.5 本章小结 19

3矿用搜救机器人运动参数设计计算 20

3.1机器人越障分析 20

3.1.1机器人跨越台阶 20

3.1.2跨越沟槽 21

3.2斜坡运动分析 22

3.3 本章小结 23

4机器人移动平台机械设计 24

4.1驱动电机的选则 24

4.1.1基于平地的最大速度的电机功率计算 24

4.1.2爬坡最大坡度的驱动电机功率计算 25

4.2 本章小结 26

5 驱动轮减速器设计 27

5.1减速器方案分析 27

5.1.1减速器应满足的要求 27

5.1.2 减速器方案分析 27

5.2 减速器的设计计算 29

5.2.1减速器的传动方案分析 29

5.2.2配齿计算 29

5.2.3初步计算齿轮的主要参数 30

5.2.4装配条件的计算 34

5.2.5高速级齿轮强度的验算 35

5.2.6 轴的设计及校核 44

5.3 本章小结 46

6移动机构履带及翼板部分设计 47

6.1履带的选择 47

6.1.1 确定带的型号和节距 48

6.1.2确定主从动轮直径 48

6.1.3确定节线长度和带宽 49

6.2 翼板部分设计 51

6.3 本章小结 51

7机器人摇臂的设计 52

7.1 摇臂作用概述 52

7.2摇臂传动减速器设计 53

7.3本章小结 55

8 总结与展望 56

致谢 58

参考文献 59

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 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。

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内容简介：: 河南理工大学本科毕业设计（论文）中期检查表指导教师：邓乐职称：教授所在院（系）：机械与动力工程学院教研室（研究室）：机械设计教研室题目履带式搜救机器人机械结构设计学生姓名张树祺专业班级 07 机制 2 班学号 0720150074 一、选题质量：（主要从以下四个方面填写： 1、选题是否符合专业培养目标，能否体现综合训练要求； 2、题目难易程度； 3、题目工作量； 4、题目与生产、科研、经济、社会、文化及实验室建设等实际的结合程度）此次所选择的题目为履带式搜救机器人机械结构设计，内容涉及到对机器人的总体布置和理论研究，局部机械零件和传动机构的设计，计算与校核，同专业课程紧密联系，符合专业培养目标，在设计工作中，需要对所学知识综合地加以运用，使之能够熟练应用有关参考资料，体现了综合训练的要求。但因机器人设计是一个前沿性的课题，这就对设计者提出较高的要求，需要查阅大量的资料，题目具有一定难度，由于设计过程中零部件多为微型元件，没有标准这就给设计带来了不便，工作量也是很大的。此次选题与我国煤炭生产安全问题密切相关，是符合社会发展和科学发展需要的。二、开题报告完成情况：相关资料的收集整理，毕业实习报告，翻译与设计题目相关的英文资料均已基本完成。进行了大量的设计计算。课题有了总体的分析，开题报告也已顺利完成。三、阶段性成果： 1 本次设计的开题报告已经完成，设计方案已经确定，基本完成了机器人机械传动的设计。 2 结构设计和校核工作正在进行中，部分零件图的绘制已经基本完成，英文翻译工作已结束，已开始制作设计说明书的工作。四、存在主要问题：机器人传动装置体积较小，部分设计没考虑到与常规机械的不同之处； 3对设计中的强度校核不太清楚，部分专业课知识不扎实；绘图软件时还不太熟练；致所获得的资料不够充分，对后期的数据校验和验证带来不便。五、指导教师对学生在毕业实习中，劳动、学习纪律及毕业设计（论文）进展等方面的评语指导教师：（签名）年月日 1 前言毕业实习是我们机械设计制造及其自动化专业知识结构中不可缺少的组成部分，并作为一个独立的项目列入专业教学计划中的。其目的在于通过实习使我们获得基本生产的感性知识，理论联系实际，扩大知识面；了解这些工厂的生产情况，与本专业有关的各种知识，各厂工人的工作情况等等。亲身感受了所学知识与实际的应用；同时毕业实习又是锻炼和培养我们业务能力及素质的重要渠道，培养当代大学生具有吃苦耐劳的精神，也是我们接触社会、了解产业状况、了解国情的一个重要途径，逐步实现由学生到社会的转变，培养我们初步担任技术工作的能力、初步了解企业管理的基本方法和技能；体验企业工作的内容和方法。这些实际知识，对我们学习后面的课程乃至以后的工作，都是十分必要的基础。 1 实习目的和意义随着国家经济的发展，对煤炭的需求量在逐年增加，但由于煤炭生产多是在井下作业，井下环境恶劣、条件复杂、灾害严重，时刻受到水、火、瓦斯、煤尘的威胁，煤矿事故时有发生，因此矿井是最迫切需要机器人的地方。煤矿井下搜救机器人的越障能力是其能否发挥作用的重要因素，本文首先提出了机器人总体设计方案，然后从运动学角度分析了机器人克服台阶、沟槽、斜坡等典型障碍的运动机理及其最大越障能力并建立数学模型给出奇异位置，为确定机器人在煤矿井下复杂环境的适应能力提供理论依据。考虑到矿井自然条件差，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，灾害后的救援工作又是极为困难和危险 ,因此研发具有环境探测和搜救功能的煤矿救灾机器人十分必要。在救援初期 ,主要使用灾后救灾机器人 ,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由于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。 2 国内外研究现状外研究状况：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 2 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 2示，这是美国一种较小型 “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 2种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 “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 2备展开图 2器人机器人采用履带方式行进，内部 3 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。逻工作。27.9 约 39潜水 45度斜坡。图 22003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。推出的如图 2，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；加拿大如图 2，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， 4 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 2 图 2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 2-6 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。 5 图 2-7 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就意味着它可以装配弹道系统和其它工具。图 2-8 爆机器人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。 6 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 2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 23 履带式移动机与其它行走机构之间的对比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，移动方式优点在于机动性能好、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。式移动机构特点 7 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。 (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； (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。、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 3示。移动机构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机构复杂程度简单一般复杂 8 能耗量小较小大机构控制难易程度易一般复杂表 34 煤矿井下搜救机器人总体设计及越障分析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 4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。 1 2 3 4 5图 4障分析越台阶（ 1）越障机理分析 9 当机器人在爬越台阶时，机器人履带底线与地平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 2所示，机器人借助摆臂的初始摆角，在履带机构的驱动下，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，当机器人重心线越过台阶边缘时，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 4由运动过程可以看出，机器人在越障第三阶段图 4C）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。 10 图 4由图 4 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。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 2，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 3。 11 图 4越沟槽示意图机器人在平地图 4a）跨越沟槽的宽度1L： r（ 4）在角度为的斜坡图 4-4(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，其受力情况如图 4示，机器人匀速行驶或静止时，其驱动力：（ 6）图 4最大静摩擦力系数为，则最大静摩擦力为：m a x c o （ 7）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。 12 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 )（ 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。 5设计性能及指标如图 51=9502=450=225mm,r=100(车体宽度 )=750体质量为 80个摆臂质量为 5器人做直线运动最大速度等于 s,自备电源运行时间大于等于 4小时。 6履带式搜救机器人的发展趋势目前便携式、履带机器人在民用领域主要用途是安全监视、反恐、排爆、消防、搜救；在军事领域主要用途是洞穴、建筑物勘测、扫雷、破障、生化战剂探测等；但这还远不能满足目前日益增长的生产、生活需求和军事需求，正因为如此，世界各国开始积极拓展小型履带式机器人的使用范围，包括将便携式履带机器人用于家庭服务、科学考察、充当旅行助手或者是在战争中用于目标指示、火力发射、战术运输、通信中继等。通过对国内外履带式搜救机器人的现状的分析，可以看出履带式搜救机器人今后的发展有以下几个方面的趋势：（ 1）结构上，趋向小型、微型。 13 （ 2）运动上，趋向全方位，更灵活，更具自主性。现有的履带移动机器人，局限在一般的地面环境里，以后会要求机器人能在越来越多的环境中实现多维运动、过渡运动，能够对环境进行识别，能适应未知环境。（ 3）在用途上，趋向于功能多功能化。比如拓展其应用到军事上，用于军事侦察，甚至于军事攻击。 7实习小结通过本次毕业实习，使我对国内外的机器人发展有了更加深刻的了解，开阔了视野。使我对以往所学的知识有了更进一步的巩固，对以前没接触过的知识有了深刻地了解，让我对所设计的课程的具体结构有了深入认识。同时，我也对现代加工方法有了一定的认识，与传统的加工方法相比，提高了加工生产效率，大大减少了劳动力，减轻了劳动工人的作业强度。也让我们真正认识到科学技术是第一生产力的重要性。同时，我们也认识了机械方面的先进技术和高科技领域，使我们以后从事机械方面的发展有了新的认识。最后我要感谢毕业实习指导老师邓老师，在此次实习过程中邓老师给了我很多帮助，也感谢我们毕业设计同组的同学们，在此次实习中他们也给予了我很多帮助，谢谢！参考文献 1 编 . 机器人设计与实现 . 北京：科学出版社 2008 2 濮良贵主编 . 机械设计第八版等教育出版社， 2006 3 徐元吕主编 . 工业机器人国轻工业出版社， 2006 4 李科杰危险作业机器人发展战略研究 J机器人技术及应用2003(5)： 145 李东晓 . 机器人技术在煤矿自动化中的应用 2007 6 钱善华王勇等 . 机器人研究的现状及煤矿搜救的应用 . 机器人，2006(5) 7 孟庆鑫，王晓东 M哈尔滨工业大学出版， 2006 8 s J . 2002 , 14 9刘极峰，易际明 M高等教育出版社，2005： 510210 罗庆生，韩宝玲等 M械工业出版社， 2009： 22711 杨明，王硕，王德石 J2005， 17（ 1）： 112 雪茗斋电脑社教育研究室 M民邮电出版社， 2008 13 et in 0 (2002) 151 162. 14 o, of a (2007) 193199. 15 a 004 河南理工大学万方科技学院本科毕业设计（论文）开题报告题目名称履带式搜救机器人机械结构设计学生姓名张树祺专业班级 07 机制 2 班学号 0720150074 一、选题的目的和意义在我国虽然煤炭资源丰富，但考虑到矿井自然条件差，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，灾害后的救援工作又是极为困难和危险 ,因此研发具有环境探测和搜救功能的煤矿救灾机器人十分必要。在救援初期 ,主要使用灾后救灾机器人 ,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由于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。二、国内外研究综述从 20 年代 80 年代起，国内外就对小型履带式机器人进行了研究。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 ( 司推出的器人具有独特履带可变形功能，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；加拿大学研制的器人，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。国内 ,中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所研制的 1 型矿井搜救机器人 ,是我国第 1 台针对煤矿救援的机器人。该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度计等设备。能够探测灾害环境 ,实时传回灾区的瓦斯、一氧化碳、粉尘浓度和温度 ,以及现场图像等信息。煤矿救灾机器人技术总体来说尚未成熟 ,仍处于技术研究阶段 ,明确机器人在煤矿救灾中的作用以及煤矿救灾对机器人的要求 ,有利于机器人技术的完善。三、毕业设计（论文）所用的主要技术与方法： 1 全面收集资料，包括所有与搜救机器人相关的论文、书籍等，并进行整理。 2 所用的方法是：类比设计、优化设计，经验设计以及数据计算法等方法。 3. 对救机器人的外形、动力、结构、工作原理等进行分析和研究。 4. 在绘图过程中运用图和等电脑绘图方法。四、主要参考文献与资料获得情况 1 编 . 机器人设计与实现 . 北京：科学出版社 2008 2 濮良贵主编 . 机械设计第八版等教育出版社， 2006 3 徐元吕主编 . 工业机器人国轻工业出版社， 2006 4 李科杰危险作业机器人发展战略研究 J机器人技术及应用 2003(5)： 145 李东晓 . 机器人技术在煤矿自动化中的应用 2007 6 钱善华王勇等 . 机器人研究的现状及煤矿搜救的应用 . 机器人， 2006(5). 7 et in 0 (2002) 151162. 8 o, of a (2007) 193199. 五、毕业设计（论文）进度安排：第 5 周周（ 3 月 28 日 10 日）：进行毕业实习。收集、整理相关资料，完成毕业实习报告（ 30 页以上），翻译与设计题目相关的英文资料。第 7 周 5 周（ 4 月 11 日 12 日）：进行毕业设计。完成开题报告、中期检查报告、毕业设计图纸绘制折合 0 号图纸 3 张，完成毕业设计说明书打印、装订，准备答辩。第 16 周（ 6 月 13 日 20 日）：进行毕业答辩。修改、完善、整理、上交有关资料。六、指导教师审批意见指导教师：（签名）年月日河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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、 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；河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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 南理工大学万方科技学院本科毕业论文 i 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 内研究现状 . 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 器人越障分析 . 20 器人跨越台阶 . 20 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文跨越沟槽 . 21 坡运动分析 . 22 章小结 . 23 4 机器人移动平台机械设计 . 24 动电机的选则 . 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 速器方案分析 . 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 . 46 6 移动机构履带及翼板部分设计 . 47 带的选择 . 47 定带的型号和节距 . 48 定主从动轮直径 . 48 定节线长度和带宽 . 49 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文板部分设计 . 51 章小结 . 51 7 机器人摇臂的设计 . 52 臂作用概述 . 52 臂传动减速器设计 . 53 章小结 . 55 8 总结与展望 . 56 致谢 . 58 参考文献 . 59 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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，人员伤亡河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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。 “机器河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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。 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；加拿大如图 1，河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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 南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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 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 爆机器人河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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、视河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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；河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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动机构的简图河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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：河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 19 002=350=80mm,r=35(车体宽度 )=500车体质量为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跨越最大沟壑宽度 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。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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器人爬越台阶过程河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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（ 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。河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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最大静摩擦力系数为，最大静摩擦力为：m a x c o （ 7）河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 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

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