礦山探測機器人移動平臺設(shè)計與越障機理研究

關(guān)丙火

(國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315)

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國[1]，煤礦開采中瓦斯爆炸、火災等事故頻繁發(fā)生，災后的救援工作復雜、危險度高，嚴重危害工作人員生命安全，制約著煤炭行業(yè)發(fā)展[2，3]。目前事故發(fā)生后的主要救援手段還是人工下井探測和救助[4]。由于災后環(huán)境復雜惡劣、空間狹窄、有毒和易燃易爆氣體等，隨時可能發(fā)生二次災害，嚴重威脅救援人員生命安全，對搶奪黃金救援時間提出巨大挑戰(zhàn)[5，6]。

隨著礦山智能化和自動化技術(shù)的發(fā)展[7，8]，井下探測機器人作為特種機器人中重要的分支之一，在井下探測、搶險甚至救援中愈加發(fā)揮舉足輕重的作用，其可替代工作人員或救援人員進入高溫、易燃易爆和有毒等危險災害事故現(xiàn)場偵察探測以及數(shù)據(jù)采集、處理、反饋等，有效解決井下工作人員面臨的人身安全等問題[9，10]?，F(xiàn)場指揮人員可以利用其進行先期壓制，并根據(jù)其反饋結(jié)果，及時對災害救援做出科學判斷和決策[11，12]。

礦災后井下塌陷、斷裂以及阻塞等因素，導致地面環(huán)境復雜多變[13]。因此，機器人的爬坡越障性能直接決定了其探測和救援的效率。目前井下探測機器人主要有車輪和履帶兩種形式，車輪式機器人主要應用于未發(fā)生災害前結(jié)構(gòu)性地面的井下常規(guī)巡檢，履帶式機器人因其接地面積大、越障性能強而應用于災害后非結(jié)構(gòu)復雜地面的探測和救援[14-16]。目前擺臂越障機器人主要集中在純履帶式、雙擺臂結(jié)構(gòu)上，四擺臂的機器人越障機理分析主要集中在數(shù)學模型分析和仿真階段[17-18]。因此，本文設(shè)計了礦山偵察機器人，通過對其動力學和模態(tài)分析，研究了機器人本體參數(shù)與越障間的機理關(guān)系，并進行了場地性能實測，對比實驗結(jié)果證明了分析方法的有效性，為進一步機器人智能化感知和越障控制提供了理論指導。

1 礦山偵察機器人結(jié)構(gòu)組成

履帶式移動平臺的機器人具備更加優(yōu)越的越野機動性能，并且具備原地差速轉(zhuǎn)向特點，且配合擺臂越障機構(gòu)能夠適應更復雜的非結(jié)構(gòu)災后地面環(huán)境。

1.1 機器人整機結(jié)構(gòu)組成

礦山偵察機器人結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1—本體；2—移動組件；3—前端擺臂組件；4—后端擺臂組件；5—探測系統(tǒng)；6—通訊天線；7—救援組件圖1 礦山偵察機器人結(jié)構(gòu)組成

本體為偵察機器人移動平臺載體，內(nèi)部設(shè)置有動力驅(qū)動、電源和控制器等器件，外部兩側(cè)安裝有輪系組件，用以驅(qū)動移動組件和擺臂組件作業(yè)，也是整套礦山偵察機器人的基本框架。懸掛組件為獨立式懸掛系統(tǒng)，分別設(shè)置在本體的兩側(cè)，對本體起到減震、越障等作用。前、后端擺臂組件可實現(xiàn)相對移動組件的擺臂旋轉(zhuǎn)運動，用以實現(xiàn)爬坡越障功能，前端擺臂左右對稱安裝在本體前端；后端擺臂左右對稱安裝在本體后端；前、后端擺臂還通過軸傳動機構(gòu)與內(nèi)部擺臂驅(qū)動機構(gòu)連接，用以實現(xiàn)角度的調(diào)整。移動組件用以實現(xiàn)移動和差速轉(zhuǎn)向，通訊天線連接內(nèi)部的通訊板卡用以實現(xiàn)機器人探測參數(shù)的發(fā)送和控制指令的接收，救援組件用于實現(xiàn)對現(xiàn)場障礙物的搬離與人員協(xié)助救援工作。

1.2 機器人擺臂和移動驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

為提升機器人在非結(jié)構(gòu)地面尤其是礦難后的通過性能，在移動機構(gòu)前后兩側(cè)均增加擺臂組件，前、后端擺臂組件采用外擺臂結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用齒輪傳動，礦山偵察機器人移動和擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

1-1—前擺臂驅(qū)動輪；1-2—前擺臂從動輪；1-3—前擺臂履帶；2-1—承重輪；2-2—移動履帶；4-1—右驅(qū)動電機；4-2—右驅(qū)動減速箱；5-1—前擺臂驅(qū)動電機；5-2—前擺臂減速箱圖2 礦山偵察機器人移動和擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2中，動力驅(qū)動電機將動力經(jīng)驅(qū)動減速箱傳送至驅(qū)動輪上實現(xiàn)履帶的轉(zhuǎn)動，動力傳輸?shù)男瘦^高；擺臂減速箱將擺臂驅(qū)動電機的動力源降速增距后傳送至擺臂組件上。將動力驅(qū)動電機和擺臂電機呈現(xiàn)對向前后放置有利于機器人重心配比，提高機器人爬行時本體的穩(wěn)定性。在前后擺臂的驅(qū)動輪和從動輪之間，還設(shè)置有張緊模塊，實現(xiàn)擺臂履帶的自張緊，有利于提高機器人爬坡越障時履帶與的摩擦力，也防止或降低掉履帶的風險。

由于前后擺臂機構(gòu)采用不同的動力源單獨進行擺臂和動力驅(qū)動，因此可以實現(xiàn)各自不同的姿態(tài)和移動速度驅(qū)動，從而實現(xiàn)機器人多模態(tài)的運動，也有利于機器人的模塊化和輕量化。

2 礦山偵察機器人移動平臺建模

機器人在井下偵察，應具備較強的爬坡越障能力，而影響其爬坡越障性能的重要因素之一是機器人的質(zhì)心位置分布，因此需要對其分析設(shè)計[18，19]。

圖3 機器人擺臂及越障高度幾何分析

如圖3所示，大地坐標系為XbObYb，本體后部的后擺臂驅(qū)動輪及沿本體軸向、垂向設(shè)置為本體坐標系X0O0Y0；以前擺臂驅(qū)動輪以及沿擺臂軸向、垂向設(shè)置為前擺臂坐標系X1O1Y1；以后擺臂組件后部的從動輪軸心以及沿擺臂軸向、垂向設(shè)置為后擺臂坐標系X2O2Y2。其中，CM、Cf、Cr分別為機器人的本體質(zhì)心、前后擺臂質(zhì)心。其中，M=85kg，為機器人本體重量；mf=23kg，為前擺臂重量；mr=24kg，為后擺臂重量；R=104mm，本體驅(qū)動輪半徑；r=58mm，擺臂從動輪半徑；L0=939mm，為本體前后驅(qū)動輪軸距；l=319mm，擺臂驅(qū)動輪和從動輪軸距；Lf=195mm，為前擺臂質(zhì)心與驅(qū)動輪間距；Lr=179mm，為后擺臂質(zhì)心與驅(qū)動輪間距；LM=437mm，為本體質(zhì)心與后驅(qū)動輪的間距；h=72mm，為本體質(zhì)心與本體幾何中心的垂向間距。此外，圖中符號H表示障礙物高度，θ為機器人本體相對水平地面的夾角，前、后擺臂相對本體的角度分別為α和β，G為機器人受到的總重力，方向垂直向下。

根據(jù)質(zhì)心變換方程，機器人本體坐標系的質(zhì)心運動學方程為：

3 爬坡越障性能分析

機器人在井下災后偵察時，當需要跨越較小、較矮的障礙物時，與單純的非擺臂式機器人，擺臂式機器人無需依賴前后擺臂即可跨越障礙物；但當需要跨越較大、較高的障礙物時，則需對前后擺臂進行施加控制策略，保證高性能越障，因此需要分析機器人越障機理過程并計算越障最大裕度以期提高機器人控制效能和偵察效率[20]。

3.1 機器人越障過程模態(tài)分析

機器人在對較高障礙物攀越過程中，需要前、后擺臂機構(gòu)進行輔助越障，步驟如下(圖4)：

圖4 機器人越障過程

1)機器人行進至障礙物前方見圖4(a)，前擺臂機構(gòu)擺動使其搭觸在障礙物表面，后擺臂機構(gòu)保持水平狀態(tài)以獲得最大接觸面積，為越障準備見圖4(b)。

2)控制本體移動機構(gòu)前移，同時在前擺臂機構(gòu)的履帶帶動作用下，車體前側(cè)與地面分離，前擺臂下側(cè)履帶與障礙物繼續(xù)接觸摩擦，本體抬升見圖4(c)。

3)機器人質(zhì)心位置上移，質(zhì)心跨越過障礙物最高點見圖4(d)。此后后擺臂向下翻轉(zhuǎn)，支撐本體繼續(xù)前移翻越障礙物見圖4(e)。

4)機器人本體質(zhì)心翻越過障礙物，移動機構(gòu)繼續(xù)前移，前擺臂和移動組件履帶接觸地面，越障完成，擺臂機構(gòu)反向回收并恢復至初始位置見圖4(f)。

3.2 機器人前擺臂越障過程模態(tài)分析

機器人在對較高障礙物攀越過程中，前擺臂機構(gòu)需要搭觸在障礙物表面，根據(jù)機器人機體參數(shù)可知，由于擺臂組件的驅(qū)動輪和從動輪半徑不同，其軸線與驅(qū)動輪輪緣處存在一個夾角δ，如圖5所示。

圖5 機器人越障與前擺臂幾何關(guān)系圖

H=R+(l-r·tanδ)cosα

(3)

即：機器人越障最大高度與前擺臂長度、驅(qū)動輪和從動輪的半徑以及擺臂角度均有關(guān)系。根據(jù)本文中的機器人基本參數(shù)可求得理論越障高度與擺臂角度的關(guān)系曲線，如圖6所示。圖中分別對比了不同長度擺臂下機器人的越障高度曲線。

圖6 機器人越障高度與前擺臂角度關(guān)系

從圖中的不同擺臂長度下的機器人越障高度曲線可以分析得出，當前擺臂的長度越長，也即擺臂驅(qū)動輪和從動輪軸距l(xiāng)越長時，機器人越障性能越好，越障高度越高，且在擺臂角度較小時差距更加明顯。但擺臂長度越長則會增加機器人整機長度和重量，不利于機器人小型化。因此，需對前擺臂合理設(shè)計，便于機器人在狹小空間內(nèi)運動，適合更多的探測和救援場景。

為了保證機器人在越障過程中不打滑，還需要滿足摩擦力條件：

Gsinαmax≤μGcosαmax

(4)

式中，μ為移動機構(gòu)與障礙物之間的摩擦系數(shù)，αmax則為機器人與障礙物臨界穩(wěn)定時的本體與水平之間的夾角，并且滿足：αmax

可以看出，機器人越障高度與前擺臂軸距長度有關(guān)，擺臂軸距長度越長，越障能力越強；同時，擺臂角度越小，越障性能越好。當擺臂軸距長度為319mm時，理論最大越障高度為414mm。

3.3 機器人后擺臂輔助越障過程模態(tài)分析

為進一步提升機器人越障高度，需要后擺臂進行輔助支撐越障分析，如圖7所示。圖中，前、后擺臂相對本體的角度分別為α和β；Cf、Cr分別為機器人的本體質(zhì)心、前后擺臂質(zhì)心；Hmax為最大越障高度。

首先，計算后擺臂組件非最優(yōu)的情況下越障最大值。此時機器人本體與地面的俯仰夾角為θ，質(zhì)心坐標CM(xG，yG)，則機器人最大越障高度為：

其中，xG，yG為質(zhì)心沿x0，y0坐標軸上的位置坐標。可以看到，在機器人的幾何參數(shù)確定的情況下，其最大越障高度Hmax與車身的俯仰角θ及前、后擺臂的翻轉(zhuǎn)角度α，β有關(guān)。

圖7 機器人后擺臂輔助越障

對前擺臂翻轉(zhuǎn)角度α求偏導，可得到前擺臂組件的擺臂角度α與最大越障高度H的關(guān)系，滿足：

圖8 機器人越障高度與后擺臂角度關(guān)系

4 爬坡越障試驗與結(jié)果分析

為對上述的機器人越障性能分析和機器人實際越障性能驗證，對機器人進行了實驗研究。在實際試驗時，通過逐步增加越障高度，得到機器人最高越障性能，如圖9所示。

圖9 機器人越障實際場景試驗圖

圖9(a)中，機器人前擺臂變形至垂向狀態(tài)，機器人移至障礙物的前端處，激光傳感器對障礙物距離和高度測量分析計算待越障的障礙物高度信息。圖9(b)中，控制器根據(jù)獲取的障礙物高度信息計算，分析出此場景下機器人前擺臂角度?？刂破骺刂茩C器人前端擺臂機構(gòu)擺動到合適的角度。此后，控制器控制動力電機驅(qū)動履帶底盤前進，使前擺臂機構(gòu)擺動使其搭觸在障礙物表面，控制后擺臂機構(gòu)保持水平狀態(tài)以獲得最大接觸面積，為越障做準備。圖9(c)中，控制器控制本體移動機構(gòu)前移，同時在前擺臂機構(gòu)的履帶帶動作用下，車體前側(cè)與地面分離，前擺臂下側(cè)履帶與障礙物繼續(xù)接觸摩擦，本體抬升。圖9(d)中，機器人質(zhì)心位置上移，質(zhì)心跨越過障礙物最高點。圖9(e)中，機器人重心越過障礙物最高點，控制器控制后擺臂向下翻轉(zhuǎn)，支撐本體繼續(xù)前移翻越障礙物。圖9(f)中，機器人本體質(zhì)心翻越過障礙物后，移動機構(gòu)繼續(xù)前移，機器人前擺臂履帶和移動組件履帶接觸地面，機器人越障完成，擺臂機構(gòu)回收并恢復初始位置，越障任務完成。

機器人實驗值對應的前、后擺臂角度與越障高度的數(shù)值及與理論值的對比如圖10所示?？梢钥吹?，不同的前后擺臂角度對應的越障高度與理論值趨勢一致，且數(shù)據(jù)誤差較小，驗證了動力學建模的正確性和有效性。此外，從圖中可以看到越障高度上試驗值稍高于理論值，原因在于測試時履帶外部具有防滑墊，因為彈性緣故導致機器人重心稍偏低，進一步提升了機器人的越障高度?？傮w來說，機器人試驗的越障高度超過設(shè)計指標，為467mm，滿足常規(guī)的應用要求。

圖10 機器人越障高度理論與實際對比

實際試驗中，還對機器人進行了爬坡和運動實驗等實驗驗證，獲得的試驗數(shù)據(jù)見表1。表1中，直行速度的理論值根據(jù)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動額定值及電機-輪系傳動比計算得到，理論轉(zhuǎn)向速度根據(jù)左右驅(qū)動電機反向轉(zhuǎn)動和及電機-輪系傳動比關(guān)系獲取，理論越障高度和爬坡角度由前面章節(jié)的仿真分析獲得。

表1 機器人越障性能試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果知：機器人實際移動速度最快為0.88m/s，高于設(shè)計指標和理論值，原因在于電機實際功率和轉(zhuǎn)速稍高于標稱值。機器人轉(zhuǎn)向速度達到1.62rad/s，約4s完成一圈的原地轉(zhuǎn)向功能?？鍦蠈挾茸畲蟮?67mm，爬坡角度可達47.3°，較常規(guī)履帶式移動底盤的爬坡角度極限38°具有優(yōu)勢，更適合應用在礦山等非結(jié)構(gòu)的地面環(huán)境中。

5 結(jié) 論

1)基于設(shè)計的擺臂式偵察機器人樣機，對機器人越障性能進行了動力學建模和關(guān)鍵參數(shù)的模態(tài)分析，獲得了機器人爬坡越障性能與各參數(shù)的機理關(guān)系，根據(jù)實際應用需求，可合理設(shè)計機器人各參數(shù)以匹配實際爬坡越障需求，同時也為機器人優(yōu)化和實際應用提供了指導。

2)根據(jù)實際場景應用需求，進行了機器人關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計，并對擺臂式偵察機器人進行的越障機理進行了實際測試對比，試驗結(jié)果表明實測值與理論分析值誤差小于1%，機器人最大爬坡越障高度大于400mm，滿足絕大數(shù)非結(jié)構(gòu)地面環(huán)境，達到預期設(shè)計指標。

3)下一步，將結(jié)合礦山偵察的實際場景需求，進行環(huán)境感知的越障智能控制算法研究，推進機器人偵察應用示范工作。