劉巍巍,王成龍,劉慧芳
(沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870)
·新技術(shù)新設(shè)備·
一種搜救機器人的設(shè)計與越障分析
劉巍巍,王成龍,劉慧芳
(沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870)
為了解決現(xiàn)有履帶式煤礦井下救援機器人質(zhì)量偏重、機動性較差的問題,采用輪轂電機為動力,設(shè)計了一款具備檢測功能的雙搖臂搜救機器人。根據(jù)雙搖臂履帶機器人的整體結(jié)構(gòu),結(jié)合事故后井下地形和障礙物的構(gòu)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(jié)果表明所設(shè)計的機器人能夠?qū)崿F(xiàn)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
我國是產(chǎn)煤大國,目前由于采煤機械化程度不夠高,從業(yè)人員整體素質(zhì)偏低等原因,導(dǎo)致我國煤炭生產(chǎn)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(fā)生后大多是派遣救護隊員直接下井偵探井下環(huán)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(zāi)后井下環(huán)境的充分了解,往往使救護人員處于危險的環(huán)境中,容易引起二次傷害和爆炸。為了能在事故發(fā)生后、救援行動開始前為指揮中心提供更全面的井下環(huán)境信息,快速制定科學(xué)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(huán)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?qū)χv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(shù)較我國先進,但是由于外國多為露天煤礦和國內(nèi)外防爆要求的不同,國外的先進設(shè)備還不能應(yīng)用于我國。
中國礦業(yè)大學(xué)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(gòu)的改進優(yōu)化,其越障性能得到逐步提升[3]。北京理工大學(xué)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(gòu)[4]。上述機器人搭載傳感器、攝像機均能實現(xiàn)對災(zāi)后井下信息的采集,但是存在車體傳動結(jié)構(gòu)復(fù)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(qū)動設(shè)計了一款探測搜救機器人。
1.1 整體設(shè)計
為了使搜救機器人能夠到達事故發(fā)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(shè)置了兩個搖臂以輔助其越障。機器人的驅(qū)動共有4個輪轂電機,前面2個用于驅(qū)動搖臂輔助越障,后面2個用于驅(qū)動履帶實現(xiàn)機器人的前進和后退。機器人機構(gòu)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(qū)動輪轂電機圖1 機器人機構(gòu)簡圖Fig.1 The structure diagram of the robot
為了使機器人能獲得煤礦事故發(fā)生后的井下環(huán)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(huán)境中拍攝井下環(huán)境和搜救被困人員的紅外攝像系統(tǒng);控制器通過無線通信實現(xiàn)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(shè)計
為減輕機器人的整體重量,機器人應(yīng)用了4個輪轂電機做驅(qū)動。
由于煤礦事故發(fā)生后的井內(nèi)往往含有大量的可燃性粉塵、CO等易燃易爆氣體,現(xiàn)有的普通低速外轉(zhuǎn)子式直流無刷輪轂電機在工作時因會產(chǎn)生熱量、火花,容易引起爆炸,不能直接應(yīng)用到井下設(shè)備中使用,根據(jù)國家防爆標(biāo)GB3836.1-2010的要求對其進行了防爆改造[7]。
輪轂電機兩側(cè)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(zhuǎn)子)連接,二者共同構(gòu)成輪轂電機的防爆殼體實現(xiàn)電機與外界環(huán)境的隔離防爆。在空心軸輸出端加裝了防爆銅環(huán)用于消除爆炸時可能產(chǎn)生的火花,為進一步增強防爆能力。另外,為使輪轂電機實現(xiàn)對履帶的驅(qū)動,在其圓柱外圓上設(shè)計有驅(qū)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(zhì)進行澆封,實現(xiàn)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(huán) 3.驅(qū)動齒 4.防爆螺栓 5.防爆蓋板圖2 輪轂電機改裝前后結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The comparison diagram of the hub motor before and after being refitted
通過采用經(jīng)過改造后的低轉(zhuǎn)速、大扭矩的外轉(zhuǎn)子式直流無刷輪轂電機做驅(qū)動,實現(xiàn)了電機對負載履帶的直接驅(qū)動,與以往同類型機器人相比,省去了4個減速機構(gòu)及附件,使機器人整體重量降到30kg左右,實現(xiàn)了機器人整體重量的下降。
越障能力是搜救機器人靈活性的體現(xiàn),為實現(xiàn)對井下區(qū)域的全面?zhèn)蓽y,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(fā)生后,井下會產(chǎn)生煤塊、碎巖塊等幾何形狀不規(guī)則的障礙物,根據(jù)這些障礙物構(gòu)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(shè)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(zhì)心距全身坐標(biāo)系的距離為l2,搖臂質(zhì)心距其坐標(biāo)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(chǔ)坐標(biāo)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(zhuǎn)角為α1,前擺臂相對于全身的轉(zhuǎn)角為α2,則全身相對于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系和前擺臂相對全身坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系為
式中,0為基礎(chǔ)坐標(biāo)系;1為全身坐標(biāo)系;2為前擺臂坐標(biāo)系;c1為cosα1;s1為 sinα1;c2為cosα2;s2為 sinα2;α1為全身轉(zhuǎn)角;α2為前擺臂轉(zhuǎn)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(zhì)心位置為
式中,P1為全身質(zhì)心坐標(biāo);P2為前搖臂質(zhì)心坐標(biāo)。
全身坐標(biāo)
搖臂質(zhì)心位置相對全身質(zhì)心的坐標(biāo)為
機器人相對全身坐標(biāo)系的質(zhì)心坐標(biāo)為
相對基礎(chǔ)坐標(biāo)系X0Y0質(zhì)心坐標(biāo)為
由此可得質(zhì)心位置坐標(biāo)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(zhì)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(shù)帶入質(zhì)心坐標(biāo)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(zhuǎn)角和搖臂擺角與越障物高度的關(guān)系如圖5所示。
圖5 全身轉(zhuǎn)角、搖臂擺角與越障高度的關(guān)系圖Fig.5 The relation graph of body,swing arms and the highness of surmounting obstacle
為了對設(shè)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(nèi)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(qū)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(zhuǎn)副和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動分別實現(xiàn)對機器人的驅(qū)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(zhuǎn)副和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動來代替前輪轂電機對搖臂的驅(qū)動;在搖臂和小前輪處添加了旋轉(zhuǎn)副和旋轉(zhuǎn)驅(qū)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(huán)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(zhuǎn)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(shù)實現(xiàn)搖臂的擺動。仿真時間為6 s,仿真步數(shù)為51。車身和搖臂各自轉(zhuǎn)角如圖7所示。
通過仿真分析得到車身和搖臂質(zhì)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(jié)果合理,驗證了設(shè)計的合理性。
通過直接對普通低速外轉(zhuǎn)子式直流輪轂電機的外轉(zhuǎn)子加裝防爆隔板,實現(xiàn)了電機與井下易燃易爆氣體的隔離,使其可以直接應(yīng)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(jié)構(gòu),實現(xiàn)了電機對負載的直接驅(qū)動,與同類型機器人相比整體重量減輕約10%,實現(xiàn)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(jié)果和仿真結(jié)果的對比,驗證了設(shè)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(xué)基金資助項目(51305277)
劉巍巍(1973-),女,遼寧桓仁縣人,沈陽工業(yè)大學(xué)副教授,碩士,主要從事知識管理,產(chǎn)品快速設(shè)計等領(lǐng)域研究。
王成龍(1988-),男,沈陽工業(yè)大學(xué)碩士研究生。
TP242.3
A
1001-196X(2016)06-0008-05