四履带搜救机器人机械结构设计—摆臂设计

摘 要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探测传感设备，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。由于某些原因，没有上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要的朋友，请联系我的叩扣:2215891151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，可以适应不同情况的复杂路面，并可主动控制两侧肋板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。本论文所设计主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、肋板转动机构、摆臂减速器机构、履带及履带轮运动机构。关键字：搜救机器人；摆臂，履带式 减速器 Abstract The purpose of this thesis is to design novel structure, its unique portable,shoc-k 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 mo-ules, search and rescue robots can be achieved using different functions, this studyis important because other peoples search and rescue robot designed to provide a basis for the dynamic platform to facilitate greater use of features can developsear-ch 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. Key words: search and rescue robots; swing arm;crawler; Retarder; 目录前 言.3 1 绪 论.7 1.1课题研究背景及意义.71.1.1 课题研究背景.7 1.1.2 课题研究意义.8 1.2国内外的研究概况.9 1.2.1 国外研究现状.9 1.2.2 国内研究现状.14 1.2.3 搜救机器人的技术发展方向.17 2 搜救机器人的移动机构分析.212.1井下复杂环境对搜救机器人的要求.212.2移动机构方案论证分析.222.2.1 轮式移动机构特点.22 2.2.2 腿式移动机构特点.232.2.3 履带式移动机构特点.242.2.4 履、腿式移动机构特点.252.2.5 轮、履、腿式移动机构性能比较.26 2.3 本研究采用的行走机构.26 2.4 救灾机器人性能指标与设计.27 2.5 本章小结.283 搜救机器人运动参数设分析计算.29 3.1 机器人越障分析.29 3.1.1 机器人跨越台阶.30 3.1.2 机器人刮越沟壑.32 3.2 斜坡运动分析.33 3.3 本章小结.34 4 摆臂减速去设计.35 4.1 摆臂电机选择.354.2 摆臂减速器设计.35 4.2.1 减速器方案对比分析. 35 4.2.2 减速器应满足要求.37 4.3 摆臂减速器设计计算.374.3.1 摆臂减速器的参数计算.374.3.2 摆臂减速器的齿轮计算.39 4.3.3 轴的设计.434.4 本章小结.475 履带的设计计算.49 5.1 带的选择.495.2 计算带的型号和节距.50 5.3 计算主从动轮直径.51 5.4 本章小结.526 摆臂结构设计.53 6.1 摆臂作用.54 6.2 肋板部分设计.566.3 摆臂参数计算.587 总结与展望.59致谢.61参考文献.62 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； 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。矿山井下环境对矿工搜寻机器人的要求 井下失踪矿工搜寻机器人是一种自主式移动机器人，它的设计首先要满足井下工作环境的特殊要求，其次要具备快速搜寻并且准确定位井下失踪人员的功能，再就是要具有简单的急救功能，如携带少量的水、食品、药品、包扎物，播放音乐等。与地面环境相比，煤矿井下环境复杂，特别是事故刚刚发生后的井下条件更为恶劣。1井下地形矿井下地形复杂，环境恶劣。通常情况下，矿井主巷道和主支巷道的路面平坦坚硬但凹处多积水，路面上有矿车铁轨、水沟、风管、线缆等障碍物。靠近工作面的小巷道路面不平、多有坡度。工作面处的路面坡度较大，积有大量的碎煤、支撑物、滑道等障碍。灾害发生后，脱落的顶板、煤石、煤块等，会形成新的不规则障碍物，这就要求井下机器人要有较强的越障和避障能力。复杂的路况还可能会使机器人发生履带单元局部故障、失去牵引力、零部件失效、倾翻、打滑、掉沟、陷入碎煤区等情况，这就需要机器人还具备一定的行驶功能恢复能力。发生局部故障后，剩下的正常驱动部件能使机器人继续行走或返回基站。2井下气候井下气候包括井下空气的温度、湿度、热辐射和风速。正常通风情况下，井下温度不超过30。C，井下空气的成分中只含有少量有害气体(CH。、CO、CO：等)。但井巷内多有淋水，空气湿度大，冬季的湿度也很大。灾害发生后，井下气候会发生明显的变化，如气体组分发生显著变化，有害气体含量增高，特别是瓦斯和粉尘浓度增大；灾变区域范围内的井下空气的温度、湿度增加；井下通风系统故障停运或局部的风流速度及风量减少。3高瓦斯由于事故后，井下通风系统常会受到破坏，瓦斯排放不及时，使瓦斯浓度增加，所以，瓦斯爆炸的危险也常常是影响救护队员及时下井开展救护工作的一个主要因素。为此，矿工搜寻机器人的所有结构必须进行防爆设计，使它在高瓦斯的情况下能够安全工作。 4高温火灾、煤尘瓦斯爆炸后积聚的热量会在现场直至相邻局部区域形成高温，这些热量在通风未恢复的情 况下会保持几日，矿工搜寻机器人系统在井下温度变化范围内要能可靠工作。5煤尘正常情况下，井下的煤尘具有一定的浓度，并随风向而流动。在事故发生后的有效救援时间内，巷道内仍会存在大量的煤尘。煤尘会进入运动副的表面，加剧轴承等零件的磨损，并且会附着在CCD光学传感器、光源的表面上，影响机器人的寿命和搜寻精度。这就要求机器人零件密封、润滑密封、并使用不易沾附灰尘的光学材料。6潮湿与积水井下环境潮湿，事故发生后，井下排水系统可能受到破坏，即使恢复排水后也会造成巷道的高湿度，这就决定了机器人要在一个湿度大、路面湿滑并有凹处积水的潮湿环境里工作。 7光照与烟雾井下场所黑暗，机器人只有自带光源，为其视觉系统提供足够强度的照明光线。事故后往往烟雾充斥巷道和工作面，能见度低，对机器人的照明有一定的影响。8能源机器人的能源采用无缆方式，使用井下专用蓄电池供电。考虑电源的功率、井下巷道和工作面空问的限制，并兼顾机器人行驶的平稳性，应适当减小机器人本体的重量和体积。 9通信井下信号传输具有特殊性，井下煤层对信号的衰减能力非常强，信号传播距离很短。迄今为止，井下海量数据的远距离无线传输问题仍然没有解决。因此，井下的特殊环境要求失踪矿工搜寻机器人形体较小，运动灵活，能越障、越铁轨和过水沟，通过狭小空间、碎煤和碎石区，有防爆、防水、耐高温、视觉防尘等功能。在满足井下工作环境特殊要求的基础上，UMMMSR要具备快速搜寻和准确定位井下失踪人员的功能，并有简单的急救功能，如携带少量的水、食品、药品、急救包、矿灯以及播放音乐等。 1 绪 论1.1 课题研究背景及意义 1.1.1课题研究背景 人类在智慧上超出动物很多，但在特定环境的适应上就要比动物差很多。虽然人发明了很多的技术弥补了这一不足，但明显可以看到，舰船的灵活性比不上鱼类，飞机的灵活性比不上鸟类甚至昆虫，车辆的地形适应性比不上四条腿的动物。搜救机器人的研究可以弥补我们这方面的不足，对社会产生大的经济效益。搜救机器人的研究可以满足一些行业的需求。机器人由于其天生的多自由度，多冗余自由度，可以在狭小的空间内穿梭，可以满足在复杂环境中进行人类无法完成的搜救任务。近几年各种灾害不断的发生，各种灾害发生后世界人名都积极投入到救灾活动中。作为当代大学生对这些灾难尤其关注，一些人立即奔赴灾区，很多人捐款捐物。灾难后总会看到有人被困在废墟下，而外面的人却一时无法将他们救出时，我们心里十分焦急，总在想：里面的人肯定受了重伤，也一定很饿，如果有个小型搜救器能迅速钻到废墟里，探明受伤人位置和情况，给他们送去急需的药品和饮食该有多好啊。基于这种想法，搜救机器人从此诞生了。然而我国在各种灾害中，但据资料显示，搜救机器人并未得到很好的利用，参加搜救的主要还是以消防官兵，搜救犬及支援人士。 地震、火灾、矿难等灾难发生后,在废墟中搜寻幸存者,给予必要的医疗救助,并尽快救出被困者是救援人员面临的紧迫任务。实际经验表明,超过48小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低。由于灾难现场情况复杂,在救援人员自身安全得不到保证的情况很难进入现场开展救援工作的,此外,废墟中形成的狭小空间使搜救人员甚至搜救犬也无法进入。灾难搜救机器人可以很好地解决上述问题。机器人可以在灾难发生后第一时间进入灾难现场寻找幸存者,对被困人员提供基本的医疗救助服务,进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。近年来,为了满足救援工作的需要,国内外很多研究机构开展了大量的研究工作,可以在灾难现场废墟中狭小空间内搜寻的各类机器人如可变形多态机器人、蛇形机器人等相继被开发出来。 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.。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）课题研究的社会意义搜救机器人的研究给搜救工作带来很大的方便，在灾难发生后，能够快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，减少人员伤亡，失踪等不幸事故，更好的为社会服务。 (2）课题研究的科学意义 搜救机器人的研发，在很大程度上弥补了广茂达在搜救领域的不足，为后期更好的扩展，奠定了基础。1.2 国内外研究情况 1.2.1国外研究情况 近十年来,美国、日本等西方发达国家在地震、火灾等救援机器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各种可用于灾难现场救援的机器人。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。1. 形状可变履带机器人 所谓形状可变履带机器人，是指该机器人所用履带的构形可以根据地形条件和作业要求进行适当变化。图2所示为一种形状可变履带机器人的外形示意图。该机器人的主体部分是两条形状可变的履带，分别由两个主电动机驱动。当两条履带的速度相同时，机器人实现前进或后退移动；当两条履带的速度不同时，机器人实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动行星轮转动，从而实现履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境（见图1-1） 图1-1形状可变履带机器人外形示意图为了能进入狭小空间展开搜救工作，要求机器人的体积要尽可能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为了解决这已矛盾，近年来在传统牵引式多态搜救机器人。图1-2为美国Irobot公司生产的Packbot系列机器人，packbot机器人有一对鳍形前肢，这对鳍形前肢可以帮助崎岖的地面上导航，也可以升高感知平台以便更好地观察。图1-3为加拿大inuktun公司MicroVGTV 多态搜救机器人，他可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整 (a)正常状态 （b）直立状态 图1-2 美国Irobot公司packbot多态搜救机器人 （ a）平躺状态 （b）半直立状态 （ c）直立状态 图1-3 加拿大Inuktun公司Micro VGTV多态搜救机器人2. 位置可变履带机器人 所谓位置可变履带机器人，是指履带相对于车体的位置可以发生变化的履带式机器人。这种位置的改变既可以是一个自由度的，也可以是两个自由度的。图1-4所示为一种二自由度变位履带机器人，各履带能够绕车体的水平轴线和垂直轴线偏转，从而改变机器人的整体构形。 图1-4 二自由度变位履带机器人图1-4为上述变位履带机器人传动机构示意图。由上图可知，当A轴转动时，通过一对锥齿轮的啮合，将运动传递给驱动轮，从而带动履带运动；当B轴转动时，通过另一对锥齿轮的啮合，带动与履带架相连的曲柄，使履带绕主动轴轴线回转变位；当C轴传动时，履带连同其安装架一起绕C轴线相对于车体转动，改变其位置。A、B、C三轴由一台电动机带动，通过切换A、B、C三个离合器，使之实现不同的传动路线，具体情况参见图1-5。 a)结构示意图 b）不同的传动路线 图1-5变位履带机器人传动机构示意图 变位履带机器人集履带式机器人和全方位轮式机器人的优点于一身。当其履带沿一个自由度方向变位时，可用于攀爬阶梯和跨越沟渠（见图1-6）；当其履带沿另一个自由度方向变位时，可实现车体的全方位行走方式（见图1-7）。 图1-6变位履带机器人爬梯越沟功能示意图 图1-7变位履带机器人移动方式示意图3.仿生搜救机器人虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空间的大小改变其形状和尺寸，但受驱动方式的限制，其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小空间搜索的需要，人们根据生态学原理研制了各种体积更小的仿生机器人，其中蛇形机器人就是其中很重要的一类。图1-8a为cmu研制的安装的蛇形机器人。图1-8b为日本大阪大学研制的蛇形机器人。图1-8c为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足2cm的苍蝇搜救机器人。随着技术的不断成熟，相信蛇形、蝇形等仿生机器人会在灾难搜救工作中发挥越来越大的不可替代的特殊作用。 (a）CMU研制的基于移动 (b)日本大阪大学 （c）加州大学伯克利 平台的蛇形机器人 蛇形机器人 分校研制的苍蝇机器人 图1-8仿生机器人 1.2.2 国内研究情况 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。 在5.12地震发生后，针对乱石之中被埋在抚恤下的生命很难发现，“如果有能穿越乱石的机器人，也许就可以发现废墟下的生命迹象从而救出更多的人！“谢敬涛等5位重庆交大的5位同学经过商量后便有这个想法，发明一个越障能力强的机器人-蛇形机器人（图1-9）. 图1-9 图1-10由中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室研制的空中搜索探测机器人、废墟洞穴搜救可变形机器人、废墟表面搜救机器人(如图1-10),在位于北京西郊凤凰岭的国家地震紧急救援训练基地完成了综合调试演练，并达到了预期性能指标。这标志着我国地震搜救机器人系统已进入到示范应用阶段，有望在“十二五”期间作为地震应急搜救装备投入实际使用。6月22日，国内首台煤矿搜救机器人(样机)在江苏徐州诞生，该机器人由中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所研制。目前这台搜救机器人采用点对点式的无线控制方式，有效控制范围为300米。由葛世荣教授领导的科研小组正在研制使用中继站式无线通讯方式，成功后将可实现对机器人1.5公里范围内的无线控制。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，它能在矿难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。据悉，此机器人通过改装后还可广泛应用于地面救火、有害气体测试等用途。 图1-121 以上是目前世界上的搜救机器人的研究现状。搜救机器人多种多样，然而真正应用在实际中的机器人目前不是很多。由于技术发展的限制，很多机器人只能在一个方面使用，没有几种多功能的搜救机器人，但是很多机器人又有相同的地方。作为搜救机器人，越障，搜索，通信，携带救援物资等等功能是最基本的功能。这其中越障显得极为重要，如果机器人连障碍物都无法穿越，还怎么做到搜救呢？于是越障能力作为考查搜救机器人能力的最为重要的指标。而越障能力由机器人的机械结构设计决定的，于是各种各样形态的机器人就诞生了。其实各种形态都是为了提高机器人的越障能力的而存在的。1.2.3 搜救机器人技术发展方向搜救机器人为搜救工作展开了新思路，但是也暴露了一些问题。综合考虑机器人技术和搜救环境，未来的搜救机器人技术需求应包括以下几个方面。1机动装置设计在搜救过程中，机动是机器人首先面临的问题。作为机器人机动主体的底盘，需要装载所有的传感器。考虑当时的环境，底盘的设计应该满足以下需求。（1）能够通过粗糙地形，越过或绕过障碍物，能够爬楼梯，能够通过狭窄空间。（2）能够耐热、放水、防火、防腐蚀（3）重量轻，能够在不发生滑动和再次倒塌的情况下对空间进行快速搜索。2传感器 搜救的两个明确任务：一是寻找可能的幸存者，二是在最初的结构评估过程中对空间进行分类。因此，机器人携带的传感器必须使它们在移动中探测受灾者和收集受灾者信息。如传感器的设计需要能够确定受灾者的生命迹象，并确定幸存者的状态；为了判断出受困者所在的位置和其所在地点的情形，需要综合GPS、惯性测量装置、编译器、陀螺仪、加速计、触摸、移动、视觉和声学传感器获得的信息等。3通信 使用有线通信的机器人在行动中通信系链易缠绕，限制了机器人的移动，适合于短距离的搜救行动。未来的发展是采用无线通信。在纽约世贸中心救援中使用的机器人就是利用无线以太网（2.4GHz 802.11）、有线通信方式与指挥中心保持通信联络。无线以太网由于带宽的问题，易导致通信中断，因此，需要加强动力、抗干扰能力的设计。4图像处理通过操纵机器人能够获取现场图像，用于确定墙壁和柱子计结构的破坏，管道和储藏库的泄漏和破裂等。同时机器人能够通过获得的现场结构信息绘制出新的结构图，从而向救援人员报告受灾后的精确位置及可能的通路。地图的绘制可以由一个机器人完成，也可以与其他机器人合作来完成。5导航技术提高机器人搜索效率和范围，开展视觉导航技术的相关研究。视觉在机器人路径规划、避障；自动爬楼梯过程中是非常重要的。如NASA喷气动力实验室利用图像的楼梯边缘判断方法，解决了机器人爬楼梯的自动化。6人机交互界面为了方便使用者在救援行动中有效的使用机器人，便捷的人机交互是非常必须的。一个有效的用户界面必须能够向操作员提供足够的决策参考信息，用于制定机器人的下一步行动。在这样的界面下，使用者能够很容易的获得机器人的方向、位置和动力，操作众多的设备，比如摄像机、灯光和车载钳子，准确的控制机器人的移动，从摄像机获得图像。7群体机器人协同在面对一个巨大灾难的时候，可以考虑由多个机器人组成群体，通过系统协调来完成单机器人无法或难以完成的工作。群体机器人系统具有空间分布、功能分布、时间分布等特点，所以群体机器人系统比单机器人系统具有更强的优越性，主要表现在以下几个方面。 （1）群体机器人系统可以实现单机器人系统无法实现的复杂任务。 （2）设计和制造多个简单机器人比单个复杂机器人更容易、成本更低。 （3）使用群体机器人系统可以大大节约时间、提高效率。 （4）群体机器人系统的平行性和冗余性可以提高系统的柔性和弹性。 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。 2 搜救机器人的总体结构方案设计 2.1 井下复杂环境对搜救机器人的要求 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、视觉防尘等功能。2.2典型移动机构方案分析 机器人在地面上移动的方式通常有三种：轮式、腿式和履带式。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。 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； （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车轮式行走机器人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 图2-3 履带式移动装置示意图 履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。并且履带式结构是通过两条履带差速实现转弯。不但可以实现超小半径转弯，还可以实现原地转弯。灵活性极佳。 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。 2.2.5 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2.3 本研究采用的行走方案 履带式机器人具有良好的越障能力和地面适应性，已得到广泛的应用典型的履带式机器人可分为固定履带式机器人和摆臂履带式机器人摆臂履带式机器人根据摆臂的数量可分为四履带双摆臂机器人和六履带四摆臂机器人. 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。 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：,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。 3 矿用搜救机器人运动参数设计计算3.1机器人越障分析 研究摆臂履带机器人的越障机理与越障能力，有利于对机器人的越障运动进行操作与控制，可保证其运行稳定性和最佳越障性能。本文从运动学的角度，在固定双履带机器人越障机理的基础上，分析四履带双摆臂机器人对台阶、斜坡、沟道等典型障碍的越障运动机理。 履带式移动机器人面临的环境多为非结构地形环境，非结构地形环境是多样的、复杂的三维地形，包括天然形成的起伏、崎岖地形，以及人工修建的坡路、阶梯、沟道等人工地形。影响或阻止机器人平台正常移动的地形、地物称为障碍地形。而很多地形具有相近的几何构特征，为了便于分析与表述，通常将障碍地形简化为斜坡、台阶、连续台阶、凸台、沟道等具有典型特征的地形。表征斜坡的几何构形特征是坡度和坡向，坡度是高度的最大变化率，坡向是最大变化率的区域方向，其关键边界线为斜坡底部与顶部转折线。表征台阶的几何构形特征是高度，其关键边界线为台阶外角线。表征连续台阶的几何构形特征是高度和台阶跨度，其关键边界线为台阶内、外角线表征凸台的几何构形特征是高度和宽度，其关键边界线为凸台两对内、外角线。表征沟道的几何构形特征是跨度和深度，其关键边界线为沟道两侧边缘线。 机器人克服障碍，是指机器人利用其行走机构驱使机器人移动，使其质心越过障碍的关键边界线，在此过程中机器人不发生倾覆，不受障碍卡阻，能继续保持机器人的稳定姿态与移动能力。对于履带机器人，可将其攀越凸台的过程分解为上台阶和下台阶的过程，将其攀爬连续台阶的过程根据其几何构形特征的尺寸简化为攀爬斜坡或依次攀爬台阶的情况。因此，只需着重分析机器人攀爬台阶、斜坡以及跨越沟道的越障运动机理。为了便于研究履带机器人的越障机理，首先对固定双履带机器人的越障机理进行研究。 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 机器人正向攀爬台阶的过程 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： （3-1）变换式（1）可得： （3-2） （3-3） 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。 3.1.2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，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： （3-4）在角度为的斜坡图3-3(b)上跨越沟槽的宽度： （3-5）3.2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： （3-6） 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： （3-7）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: （3-8）爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为： （3-9）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。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