矿用破障救援机器人行走机构设计及仿真

矿用破障救援机器人行走机构设计及仿真机设06-5班 汪林清 指导老师：罗静摘要:目前灾难救援机器大多为陆上、空中避障探测救援，对于需要破障进入塌方、废墟内部的情况，常规挖掘钻探设备很难及时有效搜救被困人员。该破障救援装置主要针对煤矿塌方等内部救援而设计。本设计采用仿尺蠖运动机理，以液压为动力，前后两部分互为支撑，屈伸爬行，前部采用扩张增力机构，排除障碍。在坍塌的巷道中，伸缩前进，到达预定地点，为幸存的受困人员输送药物、食品和氧气等，为救援人员争取更多的救援时间，提高救援效率，避免二次伤害的发生。设计中分析计算了双边铰杆增力机构的各方面参数，为双边铰杆增力机构的更好研究与应用提供了理论基础，并自行设计了分级双边铰杆增力机构，克服了在输入力一定的情况下，初始输出力较小的局限性，极大地提高了机构的承载能力；文中采用现代设计理论与方法，应用Pro/E、3DMAX等机械设计软件进行三维实体动态设计、机构运动仿真、有限元分析、结构优化设计及行为建模等，结合实际生产环境，最大限度的提高工作效率，减少产品设计周期，降低生产成本。关键词：破障救援 机器人 分级双边铰杆增力机构 行走机构 仿真Abstract: Currently disaster relief for the land, the air machine mostly obstacle-avoidance and detection rescue, the need for breaking into the landslide barrier, and ruins of conventional mining drilling equipment to timely and effective rescue trapped workers. The broken disabled rescue device aimed at mines and other internal aid design.This design uses the imitation of the cankerworms movement and mechanism of hydraulic power. After two parts are supported by crawling, the front adopts the power mechanism to unblock obstacle. Crawling in the collapsed tunnel for surviving sites delivering drugs, food and oxygen, for the rescue crews get more time, improve efficiency and to avoid secondary damage relief. Design and calculation for the institution of power mechanism of double-sided hinge-rod overcoming the limitations of small initial output force. It has greatly improved the capacity of the institution. Using the modern design theory and method, Pro/E and 3DMAX, this design has realized three-dimensional dynamic mechanism motion simulation, the finite element analysis, structural optimization design and behavioral modeling. With actual production environment, it can improve the work efficiency, reduce product design cycle and reduce production cost.Keywords: unblocking and rescuing; robot; power mechanism of classifying double-sided hinge-rod; running mechanism ; emulation一、概述由于目前的灾难救援机器大多为陆上、空中避障探测救援。对于需要破障进入塌方、废墟内部的情况，常规挖掘钻探设备很难及时有效搜救被困人员。该破障救援装置主要针对煤矿塌方等内部救援而设计。本设计采用仿尺蠖运动机理，以液压为动力，前后两部分互为支撑，屈伸爬行，前部采用扩张增力机构，排除障碍。在坍塌的巷道中，伸缩前进，到达预定地点为幸存的受困人员输送药物、食品和氧气等，为救援人员争取更多的救援时间，提高救援效率，避免二次伤害的发生。在条件允许的情况下，可适量的安装一些救灾机械传感器以采集危险环境的重要信息（包括瓦斯含量、CO含量、O2 含量、温湿度以及灾害场景等），为进一步科学的救援提供重要依据。在以上的基础上，将其整体按比例放大23倍，后箱体后置移动路径支护系统，该设备经过之处形成临时通道，以备外部人员进入解决可能突发问题，同时可为被困人员提供救生通道。如图图1-1所示： 图1-1 3DMAX环境下仿真该破障救援设备的救援过程二、破障救援装置行走机构的设计根据煤矿生产环境的特殊性，该破障救援装置主要由机械结构系统、信息采集及传输系统、液压系统三部分组成（这里重点介绍机械结构系统）。该装置以液压为动力，仿尺蠖运动机理，前后两部分互为支撑，同时采用扩张增力机构，屈伸破障前行。该装置示意图如图2-1所示：1倒刺 2后箱体 3前箱体 4上盖图2-1 该破障救援装置结构示意图2.1机械结构系统的整体设计机械结构系统主要有伸缩机构、扩张增力机构二部分组成，如图2-1所示。伸缩机构:前箱体3与后箱体2之间采用滑动连接，以液压为驱动力，通过液压缸的来回动作以及单向自锁结构（例如此设计所使用的倒刺）的定向作用达到前、后箱体伸缩前行的目的。扩张增力机构：前箱体3与上盖板4之间以液压为驱动力，采用分级增力机构，通过上盖板4的扩张运动达到破障的目的。其中，分级增力机构由两个一般的双边铰杆增力机构和一个带导槽（减小，增大初始输出力）的双边铰杆增力机构组成。铰杆增力机构仿生于人类的肘关节，具有摩擦损失小、增力系数大、灵活方便的特点，并且机构简单，制造容易，生产成本较低，有利于广泛推广应用。如下图所示，当输入推力为Fi 时，通过建立简单的数学模型，如图2-2所示，通过理论计算可以算出：图2-2 双边铰杆增力机构2.2铰杆增力机构的设计计算对于一般情况（不考虑摩擦）的双边铰杆增力机构如下. 图2-3所示，当以初始的力F作用于铰点时，其输出力为F0。图2-3 一般的双边铰杆增力机构对初始力F作用的铰点处进行受力分析，做出力的平行四边形如下图2-4所示:图2-4对初始力F作用的铰点受力分析根据正弦定理： （2-1）即：对滑块处的铰点进行受力分析，做出力的平行四边形如下图2-5所示：图2-5滑块处铰点受力分析根据此力的平行四边形，容易得到：由，带入上式，得： (2-2)令，即为增力系数，现对其求最大值：= （2-3）分别对函数的和求偏导数：对求偏导数，如下令，即：由此，得： (2-4)对求偏导数：令=0，即：由此，得 (2-5)欲使增力系数取最大值，需同时满足式(3-8)和式(3-9)当时，增力系数取最大值，且：= （其中=） （2-6）由式（2-6）可得结论：当=时，即水平初始作用力F所作用的铰点所连接的两铰杆长度相等，并且两铰杆的另一端在一条竖直线上是，增力系数取最大值=。即=并且为最小值时，增力系数取最大值。2.3分级铰杆增力机构的设计在一般的双边铰杆增力机构工作的初始情况下，由于相对角较大，能够提供的输出力有很有限，当初始情况能够正常运行之后，角将逐渐减小，在材料强度允许的情况下，该双边铰杆增力机构就能够提供更大的输出力，所以为确保该装置能够正常工作，在设计时采用两个一般的双边铰杆增力机构和一个带导槽（减小，增大初始输出力）的双边铰杆增力机构，能够在初始情况下获得更大的输出力。根据总体方案设计：对于一般铰杆增力机构的设计，做截面示意图，如下图2-6：图2-6铰杆增力机构设计分析根据三角形相似定理，对于图2-6，得： （2-7）由前面的计算，令力F所作用的两铰杆的长度;对于角所在的三角形使用余弦定理，得;(H/2)2+（S/L+H）2-（H/2）2 (2-8)由式（2-7）和式(2-8)，解得： （2-9）在此设定的值域在（0，）内，看做是S的函数，则随着S的增大而增大，而越小，增力系数G的值越大。结论：铰杆增力机构的下支点距离前箱体头部顶点的距离S越大，能够取得的增力系数越大。矛盾：根据杠杆原理（基于长度的增力机构），当铰杆增力机构的下支点距离前箱体头部顶点的距离S越大时，机构越费力，并且上盖板的材料性能要求越高。综合考虑各方面实际情况，取S=。2.4设计中间的铰杆增力机构根据总体方案设计：采用一个带导槽（减小，增大初始输出力）的双边铰杆增力机构，能够在初始情况下获得更大的输出力。中间铰杆增力机构上铰杆设计如下图2-7所示：图2-7中间铰杆增力机构上铰杆在液压缸活塞杆作用的部分设计有挡板，可以有效防止作用力将其推到竖直线另一端出现负角，要确保在（0，）范围之内。同时A和B之间形成导槽（设A和B之间的距离为），可以有效减小初始作用时的角的大小，能够在初始情况下获得更大的输出力。中间铰杆增力机构下铰杆设计如下图2-8所示：图2-8中间铰杆增力机构下铰杆由式（2-7）及前面的计算，对于图16，F所作用的两铰杆的长度;对于角所在的三角形使用余弦定理，得;（)2+（）2-（）2 (2-10)由此，解得： （2-11）由式（2-11）得出结论：当S为定值时，越大角越小，从而增力系数G越大。但是越大，此机构的有效工作时间越短，综合考虑，选择=。设前箱体两边的两个一般的铰杆增力机构和中间铰杆增力机构所对应的角分别为、。由S=，=，则由增力系数 ，则三、模型的运动仿真及有限元分析3.1三维模型的运动仿真将装配好的模型导入Pro/MECHANICA MOTION模块，检查机构连接，加亮主体，确认装配无误后，拖动模型使其运动到适合的位置后使用快照记录，添加伺服电动机，如下图3-1所示，分析定义为运动学如下图3-2所示，选定设置好的快照，运行仿真使其能够实现后箱体固定，推动前箱体前进；上盖在增力机构的作用下向上扩张；前箱体固定，拉动后箱体前进；上盖在增力机构作用下像下运动。分析完成后，单击工具栏右边回放按钮，回放正确后，保存到文件。 图3-1 伺服电动机的定义 图3-2分析定义依次单击菜单栏中的【分析（Analysis）】的【测量（Measures）】命令，弹出“结果测量（Measures Results）”对话框，如下图3-3所示，单击新建按钮，弹出新建分析任务对话框，如下图3-4所示，分别新建上盖板尖部的“位置、速度、加速度”的分析任务。 图3-3 图3-4在结果集中选择分析好的结果，然后分别单选分析任务，在测量结果对话框中点选(测量)图标，分别显示上盖板尖部的“位置、速度、加速度”的变化情况，如下图所示： 图3-4位置变化情况 图3-5 速度变化情况图3-6 加速度变化情况3.1三维模型的有限元分析打开装配好的该装置的三维模型，进入Pro/Mechanica模块，方法如下。选择菜单栏的命令，如图3-7所示，弹出单位确认对话框，如图3-8所示。单击接受当前单位设置。 图3-7 图3-8在随后弹出的“模型类型”对话框中可以指定结构分析的类型，如图3-9所示图3-9这里保持缺省值，不使用有限元模式，则Pro/Mechanica使用自身的求解器进行计算并显示结果，不依赖其他软件，单击 Advanced 按钮可以弹出高级选项来设置模型的类型，通常在企业中对零件进行结构分析需要对模型进行三维研究，因此这里保持缺省值。单击 确定 进入结构模块集成模式界面，此时Pro/ENGINEER右工具栏出现结构模块的按钮，定义材料 选择点击右边工具栏材料定义图标，弹出对话框如图3-10所示图3-10将选好的材料的属性参数进行输入，并且对材料的各向异性进行定义，设置好各项参数后，单击确定。 图3-11 图3-12约束的定义 选择右边工具栏的约束工具图标，弹出如图3-13所示的对话框，设置好后单击确定按钮。图3-13载荷的定义 选择右边工具栏的约束工具图标，弹出如图3-14所示的对话框，设置好后单击确定按钮。图3-14网格的创建 选择常用工具栏的的工具，弹出如图3-15所示的的对话框，单击Create ，出现分析结果对话框及模型网格创建结果，如图3-16所示 图3-15 图3-16定义分析 选择Pro/Mechanica中的，弹出Analyses and Design Studies对话框，如图3-17所示。在file 菜单中显示了可创建的分析类型，首先进行静态分析，即选择New Static 选项，定义好分析之后，对话框中将显示已定义的分析，此时可单击按钮开始运行分析。整个分析过程需要一定得时间，有时候要花费很长的时间，这取决于计算的规模和计算机的性能。运行分析后，可单击按钮查看状态报告的信息，其中包括运行时间、内存占用、结果中各种量的最大最小值等，当报告显示Run Completed时，如图3-19所示，表示以正确完成分析，并且会显示分析的具体的分析时间。 图3-17 图3-18图3-19获取结果 进行分析或设计研究后，可选择要查看结果的项目，单击按钮查看计算结果，在显示结果之前要定义显示结果的参考、类型、形式等，不同的分析和研究要定义的内容有一定得差异。各种不同形式的分析显示结果如下所示。图3-20为沿上盖板边线从板尖到销连接处的应力变化曲线显示图；图3-21为上盖板的应力情况显示；图3-22为上盖板的应变情况显示；图3-23为上盖板位移情况显示。在单击按钮完成运算后会出现所有的运行文字分析结果如图3-24所示。 图3-20 图3-21 图3-22 图3-23图3-24四、结束语我国是产煤大国，井下塌方等灾害事故频繁发生，灾害事故危害严重，据权威部门统计，我国煤矿年死亡人数占世界煤矿事故年死亡人数的三分之二以上。死亡率居高不下的原因除了机械化程度低、煤层地质结构复杂、高瓦斯矿井多等原因之外 ，矿难救援水平落后是一个不可忽视的重要因素。目前的救援方式多为人工、工程机械挖掘或救灾钻机钻孔给养。当采用挖掘救援时一般工作量很大，且容易再次塌方造成二次伤害，进展缓慢；一般煤矿巷道距地面都在200米以上，当采用救灾钻机钻孔救援时，很难准确钻孔到指定位置，效率低下。该装置采用液压为动力，仿尺蠖运动机理，前后两部分互为支撑，屈伸爬行。在坍塌的巷道中，伸缩前行，到达预定地点为幸存的受困人员输送药物、食品和氧气等，为救援人员争取更多的救援时间，提高救援效率，避免二次伤害的发生。同时，可后置移动路径支护，构建临时通道，为把受困人员直接、及时救出提供必要条件。该设备可用于煤矿塌方、地震等废墟环境的救援任务中。该装置在设计过程中的主要创新点：1 该破障救援装置前进方式为仿尺蠖运动机理，前后两部分互为支撑，伸缩前行，能克服较大的阻力；2 以液压为动力，无火花，本质安全，适合煤矿等易燃易爆环境下工作；3 分析计算了双边铰杆增力机构的各方面参数，为双边铰杆增力机构的更好研究与应用提供了理论基础；4 救援方式为穿越破障救援。当障碍无法躲避时，该设备采用扩张增力机构，排除障碍，进入废墟塌方内部，达到救援的目的；5 计算并自行设计了分级双边铰杆增力机构，该机构能够很好地克服在输入力一定的情况下初始输出力的较小的局限性，极大地提高了机构的承载能力；6 采用现代设计理论与方法，应用Pro/E、3DMAX等机械设计软件进行三维实体动态设计、机构运动仿真、有