一種搜救機器人的設計與越障分析

劉巍巍，王成龍，劉慧芳

(沈陽工業大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110870)

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一種搜救機器人的設計與越障分析

劉巍巍，王成龍，劉慧芳

(沈陽工業大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110870)

為了解決現有履帶式煤礦井下救援機器人質量偏重、機動性較差的問題，采用輪轂電機為動力，設計了一款具備檢測功能的雙搖臂搜救機器人。根據雙搖臂履帶機器人的整體結構，結合事故后井下地形和障礙物的構形特點,得出了障礙物的簡化模型，采用D-H法分析了機器人的最大越障能力，利用Solidworks軟件對機器人進行了建模并在Adams中進行了仿真，結果表明所設計的機器人能夠實現對理論最大障礙物的跨越，驗證了在保證搜救機器人越障能力的前提下，由減輕機器人重量來提高其機動能力的可能。

機器人；輪轂電機； D-H法；越障分析

0 前言

我國是產煤大國，目前由于采煤機械化程度不夠高，從業人員整體素質偏低等原因，導致我國煤炭生產百萬t死亡率是南非的30倍、美國的100倍[1]。目前我國在煤礦事故發生后大多是派遣救護隊員直接下井偵探井下環境來為指揮中心制定搜救方案提供信息，這種方式由于缺乏對災后井下環境的充分了解，往往使救護人員處于危險的環境中，容易引起二次傷害和爆炸。為了能在事故發生后、救援行動開始前為指揮中心提供更全面的井下環境信息，快速制定科學合理的營救方案，需要研制代替救護隊員深入事故后的井下采集環境信息的搜救機器人。

國外美國桑迪亞實驗室研制的Gemini-Scout搜救機器人身長約1 m，可下潛到水中0.45 m處，并搭載了雙向對講機、紅外攝像頭、多種氣體傳感器。美國Remotec公司的Andros Wolverine機器人，能采集視頻、圖像，探測危險氣體，但是它體型龐大，高約1.27m,重量超過0.5t[2]。國外的救援機器人雖然技術較我國先進，但是由于外國多為露天煤礦和國內外防爆要求的不同，國外的先進設備還不能應用于我國。

中國礦業大學研制了CUMT1——CUMT5一系列的煤礦搜救機器人，該系列機器人通過對行走機構的改進優化，其越障性能得到逐步提升[3]。北京理工大學研制的BIT型煤礦搜救機器人，采用了六履帶四擺臂的行走機構[4]。上述機器人搭載傳感器、攝像機均能實現對災后井下信息的采集，但是存在車體傳動結構復雜，車身偏重、機動性較差的問題。

目前同類型的履帶式機器人整體重量一般都在35kg以上[5]- [6]，重量偏大。為了使投入到煤礦事故搜救中的機器人減輕自身重量，采用輪轂電機做驅動設計了一款探測搜救機器人。

1 機器人設計

1.1 整體設計

為了使搜救機器人能夠到達事故發生后的井下各方位實施搜救探測，機器人采用履帶行走；為增強機器人的越障能力，在機器人前進方向設置了兩個搖臂以輔助其越障。機器人的驅動共有4個輪轂電機，前面2個用于驅動搖臂輔助越障，后面2個用于驅動履帶實現機器人的前進和后退。機器人機構簡圖如圖1所示。

1.小從動輪 2.大從動輪 3.搖臂履帶 4.搖臂輪轂電機 5.行走履帶 6.驅動輪轂電機圖1 機器人機構簡圖Fig.1 The structure diagram of the robot

為了使機器人能獲得煤礦事故發生后的井下環境信息，機器人搭載了能檢測瓦斯、CO等有毒氣體的傳感器和用于在井下黑暗無光的環境中拍攝井下環境和搜救被困人員的紅外攝像系統；控制器通過無線通信實現地面操作終端和各功能部件的指令、圖像的傳輸；電池采用鋰離子可充電電池為機器人提供電源。

1.2 電機的設計

為減輕機器人的整體重量，機器人應用了4個輪轂電機做驅動。

由于煤礦事故發生后的井內往往含有大量的可燃性粉塵、CO等易燃易爆氣體，現有的普通低速外轉子式直流無刷輪轂電機在工作時因會產生熱量、火花，容易引起爆炸，不能直接應用到井下設備中使用，根據國家防爆標GB3836.1-2010的要求對其進行了防爆改造[7]。

輪轂電機兩側連接蓋板改為采用材料為Q235A厚度5 mm的圓形隔板，利用防爆螺栓將其與輪轂電機的圓柱外殼(轉子)連接，二者共同構成輪轂電機的防爆殼體實現電機與外界環境的隔離防爆。在空心軸輸出端加裝了防爆銅環用于消除爆炸時可能產生的火花，為進一步增強防爆能力。另外，為使輪轂電機實現對履帶的驅動，在其圓柱外圓上設計有驅動齒。最后對有連接電機和控制器、電池連線的空心軸處使用阻燃介質進行澆封，實現電機腔和控制腔的隔離。輪轂電機改造前后的對比如圖2所示：

1.連線澆封 2.防爆銅環 3.驅動齒 4.防爆螺栓 5.防爆蓋板圖2 輪轂電機改裝前后結構圖Fig.2 The comparison diagram of the hub motor before and after being refitted

通過采用經過改造后的低轉速、大扭矩的外轉子式直流無刷輪轂電機做驅動，實現了電機對負載履帶的直接驅動，與以往同類型機器人相比，省去了4個減速機構及附件，使機器人整體重量降到30kg左右，實現了機器人整體重量的下降。

2 機器人的越障分析

越障能力是搜救機器人靈活性的體現，為實現對井下區域的全面偵測，要求機器人具備高的越障能力。

2.1 障礙物模型簡化

煤礦事故發生后，井下會產生煤塊、碎巖塊等幾何形狀不規則的障礙物，根據這些障礙物構形特征的相似性同時也為了更加方便地分析機器人的越障過程，把搜救機器人行進過程中可能遇到的障礙物進行了簡化，其模型簡化圖如圖3所示。

圖3 障礙物簡化模型圖Fig.3 The simple diagrams of the obstacles

2.2 基于D-H法的機器人越障分析

把機器人看成剛體來研究，可用D-H法來對其進行越障分析[8]。

設機器人前后輪之間的長度為L,搖臂長度為l，車身重量為m1,搖臂重量為m2，機器人輪轂電機的半徑為R，搖臂小輪半徑為r,機器人全身質心距全身坐標系的距離為l2，搖臂質心距其坐標系距離為l2，障礙物高度為h。以機器人跨越障礙時后輪與地面的接觸點為原點建立基礎坐標系X0Y0。如圖4所示。

圖4 機器人越障位姿Fig.4 The obstacle-crossing pose of the robot

機器人跨越障礙時全身相對于X0Y0的轉角為α1，前擺臂相對于全身的轉角為α2，則全身相對于基礎坐標系的轉化關系和前擺臂相對全身坐標系的轉化關系為

式中，0為基礎坐標系；1為全身坐標系；2為前擺臂坐標系；c1為cosα1；s1為 sinα1；c2為cosα2；s2為 sinα2；α1為全身轉角；α2為前擺臂轉角；R為輪轂電機半徑；r為前擺臂從動輪半徑。

全身各部分質心位置為

式中，P1為全身質心坐標；P2為前搖臂質心坐標。

全身坐標

搖臂質心位置相對全身質心的坐標為

機器人相對全身坐標系的質心坐標為

相對基礎坐標系X0Y0質心坐標為

由此可得質心位置坐標為

s1m2s2l2/m=

c1(m1l1+m2L)/m+m2l2c1+2/m

c1m2s2l2/m+R

=s1(m1l1+m2L)/m+m2l2s1+2/m+R

式中，s1+2為sin(α1+α2)；c1+2為cos(α1+α2)。

機器人越過最高障礙時，其質心位置與地面的垂線正好同障礙物前邊緣共線，此時障礙物高度為

h=H-R/c1=

s1(m1l1+m2L)/m+m2l2s1+2+/m+R-R/cosα1

把搜救機器人參數帶入質心坐標及障礙物高度表達式為

h=H-R/c1=275sinα1+
11.167sin(α1+α2)+115-115/cosα1

式中，L=550 mm；l=210 mm；l1=220 mm；l2=67 mm；R=115mm；m1=25 kg；m2=5 kg。

通過Matlab計算求解可得到機器人理論最大越障高度h=158 mm,此時機器人全身擺角α1=48°，搖臂擺角α2=42°。全身轉角和搖臂擺角與越障物高度的關系如圖5所示。

圖5 全身轉角、搖臂擺角與越障高度的關系圖Fig.5 The relation graph of body,swing arms and the highness of surmounting obstacle

3 仿真驗證

為了對設計的搜救機器人的越障能力進行驗證，對機器人的越障過程進行了仿真。

3.1 模型的建立

在Solidworks軟件內對機器人進行了三維建模與裝配。為了便于在Adams中進行仿真對機器人模型進行了簡化。最后模型包括車體、輪轂電機(以驅動輪代替)、從動輪、搖臂和小前輪。在車體和輪轂電機、擺臂處添加了旋轉副和旋轉驅動分別實現對機器人的驅動和搖臂的擺動；后輪轂電機和前從動輪之間采用耦合副代替履帶傳動；車體與搖臂之間添加了旋轉副和旋轉驅動來代替前輪轂電機對搖臂的驅動；在搖臂和小前輪處添加了旋轉副和旋轉驅動來代替前輪轂電機與小從動輪的履帶傳動[9，10]。

在Adams中建立了高度為158 mm的臺階用于模擬機器人要跨越的障礙。機器人和障礙物之間添加接觸力來模擬機器人與障礙物的接觸環境。機器人和障礙物在Adams的簡化模型如圖6所示。

圖6 機器人與障礙物的簡化模型Fig.6 The simplified model of the robot and the obstacle

圖7 車身和搖臂各自轉角Fig.7 The rotation angle of the body and the ranging arms

3.2 模型仿真

模型驗證成功后開始仿真，采用STEP函數實現搖臂的擺動。仿真時間為6 s,仿真步數為51。車身和搖臂各自轉角如圖7所示。

通過仿真分析得到車身和搖臂質心擺角圖，由上圖可知越障過程中車身擺角為50°；搖臂擺角為85°，由于搖臂相對水平面有45°的初始角，所以搖臂實際擺角為40°，與理論值接近，結果合理，驗證了設計的合理性。

4 結論

通過直接對普通低速外轉子式直流輪轂電機的外轉子加裝防爆隔板，實現了電機與井下易燃易爆氣體的隔離，使其可以直接應用于井下搜救機器人中；由于輪轂電機的使用，省去了中間的傳動結構，實現了電機對負載的直接驅動，與同類型機器人相比整體重量減輕約10%，實現了機器人的輕量化，通過對搜救機器人越障過程理論分析的結果和仿真結果的對比，驗證了設計方

案的可行，達到了減輕機器人重量和提高機器人機動性的目的。

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Design and analysis on obstacle-crossing of a rescue robot

LIU Wei-wei，WANG Cheng-long，LIU Hui-fang

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870,China)

This article focused on solving the problem of large mass and less mobility in the existing tracked coal mine rescue robot. A robot, which had two swing arms and the ability of detecting several kinds of gas under the coal mine, had been designed with hub motors. Based on the structure of the robot and the feature of the terrain and the obstacles after the accident, the simplified model of the obstacles was got. The biggest obstacle-crossing ability of the robot was analyied in D-H method, the three-dimensional model of the robot was established with solidworks software and carried out simulation with Adams, the simulation results of the obstacle crossing showed that the robot could cross the highest obstacles which was theoretical. It was verified that the mobility of the rescue robot could be improved by reducing weight under the premise of guaranteeing the obstacle-crossing ability of the rescue robot.

robot; hub motor; D-H method; obstacle-crossing analysis

2016-07-16；

2016-10-27

國家自然科學基金資助項目(51305277)

劉巍巍(1973-)，女，遼寧桓仁縣人，沈陽工業大學副教授，碩士，主要從事知識管理，產品快速設計等領域研究。

王成龍(1988-)，男，沈陽工業大學碩士研究生。

TP242.3

A

1001-196X(2016)06-0008-05