一種礦井環(huán)境探測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

呂建華，王 力，張子懿，王辰棟，胡玉芬

(南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 智能制造學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

我國(guó)煤炭資源豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。國(guó)內(nèi)煤礦開采活動(dòng)頻繁，礦井條件復(fù)雜、不穩(wěn)定因素較多，一旦發(fā)生事故，容易造成大量人員的傷亡。目前應(yīng)用于礦井環(huán)境探測(cè)的機(jī)器人種類較少且功能普遍較為單一，因此開發(fā)多功能礦井環(huán)境探測(cè)機(jī)器人，對(duì)礦井環(huán)境進(jìn)行提前預(yù)判，提高煤炭開采安全系數(shù)顯得尤為重要。本文根據(jù)礦井的特殊環(huán)境設(shè)計(jì)了一種履帶式礦井環(huán)境探測(cè)機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線遙控、環(huán)境探測(cè)和道路越障等功能[1]。

1 礦井環(huán)境探測(cè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)目前礦井探測(cè)機(jī)器人功能單一的現(xiàn)狀，需要開發(fā)一種具有礦井探測(cè)功能的機(jī)器人，其具有多種傳感器，可以適應(yīng)復(fù)雜的礦井環(huán)境。因此，該機(jī)器人需具備一個(gè)多功能平臺(tái)，平臺(tái)上擁有多個(gè)接口，可根據(jù)不同需求插裝相應(yīng)傳感器。由于機(jī)器人長(zhǎng)期工作于復(fù)雜泥濘環(huán)境，機(jī)器人需要擁有較強(qiáng)的抓地力，因此，機(jī)器人采用履帶式設(shè)計(jì)，增加與地面接觸面積，以此獲取更強(qiáng)抓地力。另一方面，機(jī)器人采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)能源，可針對(duì)不同地形調(diào)整功率，以避免打滑側(cè)翻等情況的發(fā)生[2]。

1.2 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案及工作原理

機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用雙側(cè)履帶式布置，上方安裝有一對(duì)傳動(dòng)輪，下方安裝有四對(duì)承重輪。傳動(dòng)輪連接到電機(jī)，由電機(jī)帶動(dòng)，并帶動(dòng)履帶旋轉(zhuǎn)，使車輛前進(jìn)[3]。車身內(nèi)部由隔板分隔為上、下兩個(gè)艙室，上艙室由前到后安裝有伺服電機(jī)、單片機(jī)、信號(hào)接發(fā)機(jī)；下艙室為電池倉(cāng)，可根據(jù)需求更換不同電池;艙室后部由鉸鏈安裝有后艙蓋，以便更換內(nèi)部零件。車身上端安裝有上艙蓋，艙蓋上側(cè)安裝有攝像照明設(shè)備與傳感元器件。攝像照明設(shè)備安置于可上下移動(dòng)的支架上，以根據(jù)需求調(diào)整高度。傳感元器件安裝于元器件平臺(tái)上，元器件平臺(tái)上有多個(gè)接口，可根據(jù)不同需求安裝不同元器件。

機(jī)器人工作原理框圖如圖2所示。操控端給信號(hào)接收端發(fā)送操作指令，信號(hào)接收端將收到的信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以控制車輛前進(jìn)。攝像機(jī)和傳感器件將所采集數(shù)據(jù)匯總到單片機(jī)，由單片機(jī)編譯成電子信號(hào)再由信號(hào)發(fā)射器發(fā)出并傳送至操控端，操控端接收并處理數(shù)據(jù)[4]。

圖1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案 圖2 機(jī)器人工作原理框圖

2 礦井環(huán)境探測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)器人采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，伺服電機(jī)通過(guò)減速器與主動(dòng)輪連接，主動(dòng)輪與履帶嚙合，實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)動(dòng)。為了使機(jī)器人擁有攀爬的功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)大的前輪，使履帶有一個(gè)60°的翹角；中間設(shè)有承重輪，以提高履帶的穩(wěn)定性，可以在泥濘的環(huán)境中更穩(wěn)定地行走；還設(shè)有一個(gè)后輪。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[5]如圖3所示。

1-伺服電機(jī)；2-主動(dòng)輪；3-履帶；4-承重輪圖3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.2 控制系統(tǒng)

人工操控端給信號(hào)接收端發(fā)送操作指令，信號(hào)接收端將收到的信號(hào)轉(zhuǎn)變成匯編語(yǔ)言傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)傳遞給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力，從而達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目的 。攝像機(jī)拍攝周圍環(huán)境狀況，并將不同傳感器件所采集數(shù)據(jù)打包反饋給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)編譯成信號(hào)再由信號(hào)發(fā)射器發(fā)出并傳遞至操控端，操控端接收處理數(shù)據(jù)，然后根據(jù)不同情況制定不同方案[6]。

控制系統(tǒng)電路圖如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)核心為AT89C51芯片，該芯片的P0端口連接一個(gè)數(shù)碼管，用來(lái)顯示時(shí)間；P1端口連接5個(gè)按鍵，用來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度；P2端口連接ULN2003A的非門驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；XTAL1和XTAL2引腳用來(lái)提供外部振蕩源給片內(nèi)的時(shí)鐘電路；RST引腳引導(dǎo)電路的復(fù)位，按下相連的按鍵，則電路開始復(fù)位[7]。

圖4 控制系統(tǒng)電路圖

2.3 傳感器系統(tǒng)

機(jī)器人傳感器系統(tǒng)主要包括一氧化碳、溫度、粉塵、甲烷和攝像頭傳感器[8]。傳感元器件安裝于元器件平臺(tái)上，元器件平臺(tái)上有多個(gè)接口，可根據(jù)不同需求安裝不同元器件，如圖5所示。

機(jī)器人傳感器系統(tǒng)是機(jī)器人與外界進(jìn)行信息交換的主要窗口，機(jī)器人會(huì)根據(jù)布置在機(jī)器人身上的不同傳感元件對(duì)周圍環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，將所得數(shù)據(jù)通過(guò)不同接口送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理，最后將分析處理得到的結(jié)果傳輸?shù)娇刂贫?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)礦井環(huán)境的全面探測(cè)[9]。

3 機(jī)器人虛擬樣機(jī)

利用三維建模軟件SolidWorks繪制各零部件模型，然后將各零部件裝配起來(lái)，如圖6所示。

圖5 機(jī)器人傳感器系統(tǒng) 圖6 機(jī)器人三維模型

利用SolidWorks對(duì)裝配體進(jìn)行干涉分析，其結(jié)果如圖7所示。由分析結(jié)果可知，裝配體及重要配合部位均無(wú)干涉，驗(yàn)證了機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

圖7 機(jī)器人干涉分析

4 結(jié)束語(yǔ)

基于當(dāng)前礦井探測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了一種礦井環(huán)境探測(cè)機(jī)器人，采用履帶式行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走和爬坡，探測(cè)平臺(tái)搭載不同傳感器進(jìn)入地下礦井進(jìn)行作業(yè)，通過(guò)控制系統(tǒng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞至單片機(jī)處理，并將處理后信息發(fā)送回操控端控制機(jī)器人動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控、環(huán)境探測(cè)和道路越障等功能。