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生時出現的救援問題：二次塌方，有毒氣體等。機械結構設計采用履帶結構，履帶對地形適應能力很強。行進機構采用雙履帶結構，利用驅動履帶實現行進運動，利用爬坡履帶實現破路爬行運動，機器人上有托舉機構，可以在搜索到遇難人員時，進行托舉救援。

關鍵詞：礦難機器人救援托舉機構

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

工業的發展離不開資源，絕大部分的資源來自于礦產的開發。隨著資源需求量的增大，礦產的開發也被進一步的擴大。礦產在為工業現代化作出重大貢獻的同時也伴隨著的礦難事故的發生率急劇上升。據不完全統計，就煤礦礦難自2001～2014年以來，我國共發生煤礦遇難30 494起，死亡人數52 348人，平均每起死亡人數1.72人;其中重大事故498起，死亡人數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。

礦難死亡率人數的眾多表示在發生礦難時救援困難重重而無法及時搜救，主要表現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，也可以提前發現受災人員及時施救，這對于救援工作有著極其重要的意義。

2 ?機械結構

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

其機械結構如圖1所示。

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

其中行走機構包括行走驅動電機、行走減速齒輪組、行走驅動軸、行走傳動機構。行走驅動電機通過聯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、聯軸器與行走驅動軸連接;行走驅動軸與行走傳動機構連接;行走傳動機構通過行走驅動輪的轉動帶動行走履帶、支重輪和行走轉向輪一起轉動，完成行走任務。

擺臂機構包括擺臂電機、擺臂驅動電機、擺臂減速齒輪組、擺臂驅動軸、套筒、擺臂傳動機構和擺臂連接桿。擺臂電機和擺臂驅動電機分別通過聯軸器與擺臂驅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、聯軸器與套筒連接;套筒與擺臂傳動機構通過鍵固定連接;擺臂傳動機構通過擺臂驅動輪的轉動帶動擺臂履帶和擺臂轉向輪一起轉動，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動和底面的適應能力。擺臂驅動軸與擺臂驅動連接桿連接;擺臂驅動連接桿與擺臂轉向輪連接，這樣使擺臂可以繞著驅動回轉軸擺動相應的角度，以適應坡路行駛。

翻斗機構由電動推桿、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。救援鏟通過翻轉運動把被救援人員安全的放到升舉機構上。

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

3 ?控制系統設計

機械結構給了機器人骨架，控制系統部分則給了機器人動起來能量?？刂企w統為機器人的結構提供了驅動力，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。針對機器人各個部位不同的驅動需求設計與之匹配的驅動電路。

控制系統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，同時機器人在執行任務時，需要實時測量和估算機器人本體的側傾角、前傾角等姿態信息，以說明控制系統完成越障、避障動作，并保證機器人不發生傾覆等不安全事故。

4 ?結 ?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，也可以提前發現受災人員及時施救，這對于救援工作有著極其重要的意義。

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