巡檢機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真

趙建偉，張?jiān)讫垼痰掠拢瑒?娜，范 迅

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

目前煤炭行業(yè)進(jìn)入嚴(yán)冬狀態(tài)、煤炭價(jià)格整體跳水、煤炭儲(chǔ)量嚴(yán)重過剩等問題嚴(yán)重影響著各個(gè)地方的煤炭企業(yè)。對(duì)于薄煤層的自動(dòng)化開采，因?yàn)槊簩拥拈_采厚度低，與中厚及厚煤層相比，薄煤層的機(jī)械化長壁開采工作面存在一些缺點(diǎn)。薄煤層采高低、開采環(huán)境條件差、采煤設(shè)備移動(dòng)困難，尤其是在綜采工作面，當(dāng)其最小開采高度降到一點(diǎn)二米以下時(shí)，工作人員進(jìn)出工作面和在工作面進(jìn)行勞動(dòng)是非常困難的，同時(shí)，薄煤層采掘比大，開采工作面工人接替也很緊張。目前隨著長壁機(jī)械化開采技術(shù)的發(fā)展，采煤工作面的推進(jìn)速度加快。但由于薄煤層開采工作面的回采巷道是半煤巖巷道，在巷道的掘進(jìn)方法上面卻沒有多大的變化，依然是應(yīng)用打眼放炮、人工裝煤，這樣導(dǎo)致掘進(jìn)速度變慢。應(yīng)用綜采設(shè)備開采薄煤層，設(shè)備投資大，開采量和開采效率不高，只有中厚煤層和厚煤層綜采工作面的一半左右，其經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如開采厚及中厚煤層。

在薄煤層開采中，由于薄煤層開采厚度小，其開采設(shè)備在安裝、操作、維護(hù)等方面比中厚及厚煤層難度較大。由于薄煤層空間的限制，工人在進(jìn)出通道和在工作面工作都受到限制，在正常傾角下薄煤層的開采垂直高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常人的身高，加上開采設(shè)備占用的高度，工人在進(jìn)入工作面活動(dòng)十分困難。這樣工作效率低且長時(shí)間下去對(duì)工人身體造成危害。因此需要一種安全性高且可靠性強(qiáng)的移動(dòng)式機(jī)器人，在工人無法工作的環(huán)境中代替工人完成對(duì)設(shè)備的監(jiān)測與維護(hù)工作[1]。為解決上述等問題，本文提出一種用于薄煤層工作面設(shè)備安全監(jiān)測、巡檢的移動(dòng)機(jī)器人。

1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

薄煤層礦井的井下工作環(huán)境是極其復(fù)雜的地形，一般包括斜坡，凸臺(tái)，壕溝，等地形或是可以由上述三種地形綜合構(gòu)成。煤層巡檢機(jī)器人主要是在煤礦開采工作面進(jìn)行巡檢工作，需要巡檢機(jī)器人通過遙控或是自主的完成避障和跨溝等動(dòng)作。目前，輪式機(jī)器人，履帶式機(jī)器人，腿式機(jī)器人都是具有復(fù)雜地形適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人，這三種移動(dòng)方式各有其實(shí)用性和優(yōu)勢，但也同時(shí)存在相應(yīng)的一些缺點(diǎn)。

輪式機(jī)器人具有速度快、結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合在平坦的路面行走。但是不適合壕溝、凸臺(tái)等地形，越障能力不及履帶機(jī)器人；履帶式移動(dòng)機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)動(dòng)性能好、越障能力強(qiáng)，能在陡峭地形、復(fù)雜環(huán)境下有著較高的越障能力和適應(yīng)性，缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、機(jī)械傳動(dòng)效率低、與地面摩擦阻力大、機(jī)器人整體質(zhì)量大。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度慢，整體質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)彎靈活性低、機(jī)動(dòng)性差，因此該類機(jī)器人的負(fù)載低，要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高速的行走，還有諸多難題需要解決[2]。

綜上所述，根據(jù)薄煤層開采工作環(huán)境，選擇履帶式移動(dòng)機(jī)器人作為設(shè)計(jì)首選。目前國內(nèi)外對(duì)履帶式移動(dòng)機(jī)器人研究的有很多，技術(shù)成熟的比如美國Foster-Miller公司研制的Talon 機(jī)器人[3-8]，中國礦業(yè)大學(xué)研制的CUMT礦用救災(zāi)機(jī)器人[8]，日本研究的HELIOS 系列履帶式搜索機(jī)器人[9]，美國i Robot 研究的擺臂式Pack Bot 機(jī)器人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制的煤礦搜救機(jī)器人[10]等。通過對(duì)不同的履帶式移動(dòng)機(jī)器人的分析研究，考慮到薄煤層開采環(huán)境的特殊性，制定機(jī)器人的形成參數(shù)如表2 所示。

表1 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 The advantages and disadvantages of mobile mechanism

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的六履帶式移動(dòng)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。從圖中可以看到機(jī)器人主要由箱體、主驅(qū)動(dòng)組件及擺臂三部分組成。箱體中包括控制系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)。主驅(qū)動(dòng)組件包括主驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪、主履帶。擺臂包括擺臂驅(qū)動(dòng)輪、張緊輪、連板、擺臂履帶。

表2 機(jī)器人性能參數(shù)Tab.2 The performance parameters of the robot

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖1 機(jī)器人總裝圖Fig.1 Robot assembly drawing

機(jī)器人由六個(gè)履帶構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，左右對(duì)稱，可將機(jī)器人各關(guān)節(jié)當(dāng)剛體處理。建立機(jī)器人姿態(tài)模型坐標(biāo)系 應(yīng)用機(jī)器人學(xué)中的D-H 坐標(biāo)變化方法，分別以機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。

設(shè)機(jī)身質(zhì)量為m1、前、后擺臂質(zhì)量為m2；機(jī)身質(zhì)心位置為LC1，擺臂質(zhì)心位置為LC2；機(jī)身長度L1，前、后擺臂長度為L2；r1，r2分別表示大輪、小輪直徑。設(shè)垂直障礙高度為h，后擺臂與地面接觸點(diǎn)到垂直障礙的距離為c。以機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的原點(diǎn)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)建立坐標(biāo)系。以后擺臂小輪與地面接觸點(diǎn)為原點(diǎn)建立固定坐標(biāo)系x0y0；以機(jī)身驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心建立機(jī)身坐 標(biāo) 系x1y1z1；以 前擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)中心建立前擺臂坐標(biāo)系 x2y2z2；以后擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)中心建立后擺腿坐標(biāo)系x3y3z3。如圖2 所示。

機(jī)器人越垂直障礙時(shí)ψ=0，φ=0。機(jī)器人前擺臂與后擺臂相對(duì)機(jī)身坐標(biāo)系x1y1z1的變換關(guān)系如表3 所示。機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)齊次變換矩陣T 為：

圖2 機(jī)器人越垂直障礙位姿Fig.2 Across vertical obstacle the robot posture

表3 機(jī)器人越障坐標(biāo)系變換關(guān)系表Tab.3 Over- obstacle coordinate system transformation

式中c、s 分別代表cos、sin。機(jī)器人的質(zhì)心位置：各關(guān)節(jié)質(zhì)心位置坐標(biāo)用1P1，2P2，3P3表示，則：

各關(guān)節(jié)質(zhì)心位置相對(duì)坐標(biāo)系x1y1z1的表示為：

整體質(zhì)心：

式中m=m1+2m2為機(jī)器人的質(zhì)量，得質(zhì)心1P 和0P：

式中可以看到相對(duì)于坐標(biāo)系x0y0的機(jī)器人質(zhì)心位置：

帶入機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)得到機(jī)器人質(zhì)心位置方程：

通過測定α1，α2，α3就可以確定機(jī)器人的質(zhì)心位置。通過Matlab 軟件對(duì)方程求解得到機(jī)器人越垂直障礙高度Matlab 曲線如圖3 所示。圖中分析得到機(jī)器人理論越障最大高度為160mm，此時(shí)機(jī)器人后擺臂與垂直障礙之間的最小距離為70mm，且此時(shí)α3=α1+90°。

圖3 機(jī)器人越垂直障礙高度曲線Fig.3 The robot across vertical obstacle high curve

3 ADAMS 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

為了提高機(jī)器人設(shè)計(jì)的效率和可靠性，在機(jī)器人的研制設(shè)計(jì)中，采用虛擬仿真軟件ADAMS 對(duì)六履帶式移動(dòng)機(jī)器人三維實(shí)體模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。得到機(jī)器人在越垂直障礙時(shí)的速度曲線、加速度曲線和機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置曲線。仿真時(shí)要對(duì)機(jī)器人三維實(shí)體模型進(jìn)行簡化，但是要保證機(jī)器人的材料屬性沒有變化從而保證機(jī)器人的仿真能實(shí)際反映出機(jī)器人在越障時(shí)的速度、加速度和位置的變化過程。圖4 是機(jī)器人在越垂直障礙時(shí)仿真得到的曲線。

圖4 機(jī)器人越垂直障礙速度與加速度曲線Fig.4 Across the vertical obstacle velocity and acceleration curve

4 結(jié)論

提出一種具有越障能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、體積小，能在狹小的工作空間中實(shí)施工作的六履帶式移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人能夠越過臺(tái)階、樓梯等室內(nèi)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化障礙；建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析機(jī)器人質(zhì)心位置和越障高度；通過Adams 軟件運(yùn)動(dòng)仿真，分析機(jī)器人的越垂直障礙性能，驗(yàn)證了六履帶式移動(dòng)機(jī)器人的可行性。

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