煤礦巡檢救援機器人行走機構設計

閆小軍 ， 王新明

（河北建筑工程學院機械工程學院，河北 張家口 075000）

隨著采煤技術的不斷發展，在提高采煤效率的同時，采煤安全性也得到很大的改善。但由于我國的礦井環境仍舊十分復雜[1]，不論是日常的安全巡檢，還是事故發生后的救援探測，煤礦巡檢救援機器人對于保護人員的安全都有著非常重要的意義[2]。而巡檢救援機器人移動系統性能的優劣，是其能否成功完成巡檢和救援探測任務的關鍵所在[3]。本文根據煤礦的非機構化地形，結合行走機構越障的基本條件，設計了一種平行四邊形履帶巡檢救援機器人移動系統。

1 巡檢救援機器人行走機構整體結構設計

1.1 常見的行走機構方案

機器人行走機構的結構形式主要有輪式、履帶式、腿足式以及復合式等，雖然每種形式各有優勢，但也各有不足之處。選擇和設計移動機構時，除了應首先考慮其使用環境，還應對其工作的穩定性和可靠性等因素進行重點考量[4-5]。

1.1.1 輪式行走機構

輪式行走機構構造簡單，在平坦路面環境下行進速度快，有一定的優勢，但在非結構化地形中適應能力較低，例如在濕滑松軟的路面極易發生打滑的情況。同時，輪式行走機構翻越障礙的高度，受限于驅動輪半徑高度[6]，只有在驅動輪中心距離路面的高度大于臺階高度的情況下，才有可能越過該臺階。因此，在一些條件惡劣的環境中，輪式行走機構甚至根本無法勝任前進任務。

1.1.2 履帶式行走機構

履帶式行走機構與地面接觸面積大，越野能力強，即使是泥濘濕滑的路面也不易下陷，但履帶輪半徑大小會限制其越障的高度，并且當其處于越障臨界點時，履帶處于單點支撐，穩定性較差，在速度波動和振動等因素的影響下，易出現后翻現象[7]。為了解決該問題，陸續出現了各種擺臂式履帶行走機構和履帶變形式機構等，但該類行走機構由于底盤相對較低，會出現卡底現象。

1.1.3 腿足式行走機構

腿足式移動機構越障性能優越，其不足之處在于前進速度比較慢，與地面接觸面積較小，容易陷入松軟的路面，并且該類行走機構結構復雜，成本較高[8]。

1.1.4 其他行走機構

除了上述三種行走機構之外，還有各種各樣的復合機構，該類機構地形適應能力強，但也存在運動協調性難度大、生產制造成本高等問題[9-10]。

綜合考慮常見的機器人行走機構的特點和性能，結合其使用環境情況，為了使行走機構在綜合性能方面能夠取得較好的效果，本文設計了一種平行四邊形機構四履帶移動系統。

1.2 行走機構整體結構設計

該煤礦巡檢救援機器人行走機構的具體結構，如圖1所示。該行走機構兩側分別是對稱的平行四邊形機構，并在連桿處布置安裝普通履帶，本體部分縱向布置兩條履帶。

圖1 煤礦巡檢救援機器人行走機構三維圖

當路況較平整時，在平行四邊形機構的作用下，兩側履帶懸空且與地面不接觸，此時機器人依靠本體上縱向布置的兩條履帶提供前進的動力，如圖2所示。

圖2 平整路況下行走機構姿態三維圖

當遇到濕滑松軟的路面以及坡度較陡的路面時，只有巡檢救援機器人本體上縱向兩條履帶工作容易出現下陷、動力不足以及縱向傾覆等問題。此時，平行四邊形機構的兩短桿轉過一定角度并使其和機架處于共線位置，與平行四邊形機構相連的側面兩條履帶在位于車體偏后方的位置接觸地面，并和本體縱向兩條履帶同時工作，如圖3所示。不僅能夠有效地抵抗車體的縱向傾覆，增加與地面的接觸面積，避免下陷；而且四條履帶同時工作，動力也將大大增加。當巡檢救援機器人跨越較寬的溝壕時，兩側履帶位于機器人本體偏后方的位置并與地面接觸，增加機器人整體縱向的長度，有利于跨過較寬的溝壕。

圖3 斜坡或松軟路面行走機構姿態三維圖

當機器人本體有縱向傾覆的趨勢時，可通過調整傾覆側的平行四邊形機構，將該側機器人本體抬高，使兩側平衡，有利于增強車體的橫向抗傾覆性，如圖4所示。

圖4 向一側有顛覆趨勢時行走機構姿態三維圖

當機器人翻越較高的臺階地形或障礙物時，通過兩側的平行四邊形機構變形配合履帶的前進來實現。此時，如果車體下方本身發生了卡底現象，由于中間車體有縱向兩條履帶，可有效避免車體被架空而發生失去動力的情況，如圖5所示。

圖5 跨越障礙物時姿態三維圖

2 行走機構運動特性分析

2.1 平行四邊形機構運動的不確定性

當平行四邊形機構的兩曲柄與機架處于共線位置時，雖然主動曲柄不存在極限位置，機構也不存在死點，但從動曲柄的轉向存在不確定性，即可能出現正向或者反向兩個方向的轉動。若從動桿在此時發生反轉，機構出現了不穩定性，這種情況對傳動不利。因此，兩短桿均設置為同步主動件，從而使從動桿具有確定的運動。

2.2 平坦路況受力分析

在比較平坦的路況下，此時的行走機構只有主履帶在工作，如圖6所示。

圖6 平整路況下受力圖

在坐標系xOy中，可得力在y軸投影的平衡方程和對O點力矩平衡方程，如下：

式中，Ff1和Ff2是主履帶輪受到地面的臨界最大靜摩擦力。

2.3 越障臨界位置受力分析

機器人翻越臺階初始位置如圖7所示，主履帶與臺階頂端先接觸，當主履帶開始搭到臺階上時，平行四邊形機構開始順時針旋轉，機器人整體同時進一步向前移動，進入初始階段。顯然，與普通二履帶機器人相比，其翻越臺階的能力有了顯著的提高，且其最大翻越臺階高度為：

圖7 越障初始位置圖

式中，b為曲柄長度，R為履帶輪半徑。

當機器人整體的質心G位于臺階接觸點的正上方時，其進入翻越臺階的臨界狀態，如圖8所示。

圖8 越障臨界位置圖

與普通二履帶行走機構相比，此時其質心位于Gq處，實際上還未到臨界狀態，由于平行四邊形機構質心位于G0點，相當于將機器人整體質心前移，更利于翻越臺階。同時，根據力的平衡原理可知，只要FTcosθ＞FNsinθ，機器人在平衡點會繼續保持前進的趨勢，從而成功翻越臺階。

3 穩定性分析

為了適應不同路況，隨著平行四邊形機構曲柄擺動角度的變化，行走機構的位姿各不相同，機器人整體的質心分布也在不斷發生變化，偏移中心平面較多時，還會有傾覆的可能性。因此，對質心分布的分析有重要的意義。

如圖9所示，先建立直角坐標系xO1y，設該機構的曲柄和連桿長度分別為a和b。連桿上質心位置坐標為G3(l3,h3)，兩曲柄質心坐標分別為G2(l2,h2)和G4(l4,h4)，車體質心坐標為G1(l1,h1)。曲柄的擺角為θ，θ∈[0, 2π]。設履帶輪的半徑（含履帶寬度）為R，其整體質心坐標為G(l,h)，則得到質心公式：

圖9 任意擺角時機器人各部分質心分布圖

式中，l1、l2、h2、h4分別是曲柄擺角θ的函數。

4 結論

本文通過對行走機構特點進行對比分析，結合機器人使用環境設計了一款對稱平行四邊形機構四履帶巡檢救援機器人行走機構，并對其翻越臺階臨界狀態和質心位置進行分析。研究結果表明，與普通二履帶機器人行走機構相比，該行走機構具有較強的越障性能和穩定性。