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履带式
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- 内容简介：
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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、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2.1国外研究状况：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(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2-1,2-2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2-2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2-1 RackBot准备展开 图2-2 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2-3 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2-4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2-5所示)，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2-4 UGTV机器人 图2-5 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2-6 telemax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2-7 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2-8 telemax防爆机器人2.2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2-9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2-9CUMT-1型矿井搜救机器人3 履带式移动机与其它行走机构之间的对比3.1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，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。 3.2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。(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。3.3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3-1所示。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能耗量小较小大机构控制难易程度易一般复杂表3-1典型移动机构的性能对比表4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4-1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。1-后轮驱动电机及其组件 2-摆臂电机及其组件 3-主履带 4-摆臂履带 5-齿轮图4-1煤矿井下搜救机器人总体方案4.1越障分析4.1.1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4-2机器人爬越台阶过程由运动过程可以看出，机器人在越障第三阶段图4-2（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4-3机器人上台阶临界状态示意图由图4-3所示几何关系可得： （1）变换式（1）可得： （2） （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。4.1.2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。图4-4跨越沟槽示意图机器人在平地图4-4（a）跨越沟槽的宽度： （4）在角度为的斜坡图4-4(b)上跨越沟槽的宽度： （5） 4.2斜坡运动分析机器人在斜坡上运动时，其受力情况如图4-5所示，机器人匀速行驶或静止时，其驱动力： （6）图4-5机器人上坡受力示意图最大静摩擦力系数为，则最大静摩擦力为： （7）当时，机器人能平稳行驶。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）爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为： （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5-1L1=950mm,L2=450mm,R=225mm,r=100mm,B(车体宽度)=750mm车体质量为80kg,每个摆臂质量为5kg,机器人做直线运动最大速度等于2.5m/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。（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 Gordon McComb主编. 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.北京：高等教育出版社，20063 徐元吕 主编. 工业机器人.北京：中国轻工业出版社，20064 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)：14-225 李东晓. 机器人技术在煤矿自动化中的应用 .煤炭科学技术.20076 钱善华 王勇等. 机器人研
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