外掛式礦難救援機器人設計

杜微 孫雅萍 孟艷萍

摘 ?要：外掛式礦難機器人設計是為了解決目前在礦難發(fā)生時出現(xiàn)的救援問題：二次塌方，有毒氣體等。機械結(jié)構(gòu)設計采用履帶結(jié)構(gòu)，履帶對地形適應能力很強。行進機構(gòu)采用雙履帶結(jié)構(gòu)，利用驅(qū)動履帶實現(xiàn)行進運動，利用爬坡履帶實現(xiàn)破路爬行運動，機器人上有托舉機構(gòu)，可以在搜索到遇難人員時，進行托舉救援。

關(guān)鍵詞：礦難機器人救援托舉機構(gòu)

中圖分類號：TP242 ? 文獻標識碼：B ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）35-0016-02

1 ?背景概述

工業(yè)的發(fā)展離不開資源，絕大部分的資源來自于礦產(chǎn)的開發(fā)。隨著資源需求量的增大，礦產(chǎn)的開發(fā)也被進一步的擴大。礦產(chǎn)在為工業(yè)現(xiàn)代化作出重大貢獻的同時也伴隨著的礦難事故的發(fā)生率急劇上升。據(jù)不完全統(tǒng)計，就煤礦礦難自2001～2014年以來，我國共發(fā)生煤礦遇難30 494起，死亡人數(shù)52 348人，平均每起死亡人數(shù)1.72人;其中重大事故498起，死亡人數(shù)11 723人，平均每起23.54人。給國家和個人帶來了極大的損失和傷害。造成死亡的主要原因是瓦斯爆炸和采空導致的煤礦坍塌，工作人員被困而得不到及時的救助。

礦難死亡率人數(shù)的眾多表示在發(fā)生礦難時救援困難重重而無法及時搜救，主要表現(xiàn)在挖掘救援通道時有可能造成二次坍塌，給救援人員帶來危險;再者礦下情況復雜，遇難人員無法準確定位。在這種緊急而危險的情況下，使用一種可以替代救援人員，及時、迅速深入礦難現(xiàn)場進行偵查、探測并實施搜救的救援機器人，即可以減少救援人員的危險，也可以提前發(fā)現(xiàn)受災人員及時施救，這對于救援工作有著極其重要的意義。

2 ?機械結(jié)構(gòu)

設計礦難機器人的目的是為了解決在礦難發(fā)生的復雜環(huán)境里幫助因受災而導致的昏迷人員成功逃脫的技術(shù)問題。

其機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

所設計的礦難搜救機器人包括行走機構(gòu)、擺臂機構(gòu)、翻斗機構(gòu)和升舉機構(gòu)。行走機構(gòu)設計成履帶式可以適應復雜的礦下地形;擺臂機構(gòu)增大了機器人的爬坡越障功能;翻斗機構(gòu)可以救援已經(jīng)昏迷的遇難人員;升舉機構(gòu)，可以把遇難人員托舉出救援通道。

其中行走機構(gòu)包括行走驅(qū)動電機、行走減速齒輪組、行走驅(qū)動軸、行走傳動機構(gòu)。行走驅(qū)動電機通過聯(lián)軸器與行走減速齒輪組連接;行走減速齒輪組是通過齒輪嚙合、聯(lián)軸器與行走驅(qū)動軸連接;行走驅(qū)動軸與行走傳動機構(gòu)連接;行走傳動機構(gòu)通過行走驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動帶動行走履帶、支重輪和行走轉(zhuǎn)向輪一起轉(zhuǎn)動，完成行走任務。

擺臂機構(gòu)包括擺臂電機、擺臂驅(qū)動電機、擺臂減速齒輪組、擺臂驅(qū)動軸、套筒、擺臂傳動機構(gòu)和擺臂連接桿。擺臂電機和擺臂驅(qū)動電機分別通過聯(lián)軸器與擺臂驅(qū)動軸和擺臂減速齒輪組連接;擺臂減速齒輪組是通過齒輪嚙合、聯(lián)軸器與套筒連接;套筒與擺臂傳動機構(gòu)通過鍵固定連接;擺臂傳動機構(gòu)通過擺臂驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動帶動擺臂履帶和擺臂轉(zhuǎn)向輪一起轉(zhuǎn)動，使擺臂與行駛履帶共同行進。這樣的設計可以增大機器人的驅(qū)動和底面的適應能力。擺臂驅(qū)動軸與擺臂驅(qū)動連接桿連接;擺臂驅(qū)動連接桿與擺臂轉(zhuǎn)向輪連接，這樣使擺臂可以繞著驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸擺動相應的角度，以適應坡路行駛。

翻斗機構(gòu)由電動推桿、翻斗連桿和救援鏟組成。電動推桿與翻斗連桿連接;翻斗連桿與救援鏟連接，電動推桿的運動是往復移動，通過連接桿可以使救援鏟對昏迷人員實行救援工作。救援鏟通過翻轉(zhuǎn)運動把被救援人員安全的放到升舉機構(gòu)上。

升舉機構(gòu)由升舉電機和連桿組組成。升舉電機通過聯(lián)軸器與絲杠連接，絲杠和螺母組成螺旋副，當絲杠轉(zhuǎn)動時便帶動螺母在絲杠上實現(xiàn)左右移動，螺母與連桿組固定連接，帶動連桿組運動。連桿組是通過轉(zhuǎn)動副連接的連交叉接桿，在螺母的推動下實現(xiàn)上下運動，把遇難人員通過安全通道送到安全位置。

3 ?控制系統(tǒng)設計

機械結(jié)構(gòu)給了機器人骨架，控制系統(tǒng)部分則給了機器人動起來能量?？刂企w統(tǒng)為機器人的結(jié)構(gòu)提供了驅(qū)動力，使機器人可以靈活的運行。完善的電氣設計保證機器人良好的運轉(zhuǎn)。針對機器人各個部位不同的驅(qū)動需求設計與之匹配的驅(qū)動電路。

控制系統(tǒng)包括電機的控制模塊設計、行走蔽障模塊設計、人體紅外感應模塊設計、無線遙控模塊設計、供電系統(tǒng)設計和位姿控制模塊設計。

其中位姿控制模塊設計非常重要，它能準確報告機器人的位置，同時機器人在執(zhí)行任務時，需要實時測量和估算機器人本體的側(cè)傾角、前傾角等姿態(tài)信息，以說明控制系統(tǒng)完成越障、避障動作，并保證機器人不發(fā)生傾覆等不安全事故。

4 ?結(jié) ?論

礦難搜救機器人的設計和使用可以替代救援人員，及時、迅速深入礦難現(xiàn)場進行偵查、探測并實施搜救救援機器人，即可以減少救援人員的危險，降低了救援時的勞動強度，也可以提前發(fā)現(xiàn)受災人員及時施救，這對于救援工作有著極其重要的意義。

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