關(guān)丙火

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[1]，煤礦開采中瓦斯爆炸、火災(zāi)等事故頻繁發(fā)生，災(zāi)后的救援工作復(fù)雜、危險(xiǎn)度高，嚴(yán)重危害工作人員生命安全，制約著煤炭行業(yè)發(fā)展[2，3]。目前事故發(fā)生后的主要救援手段還是人工下井探測(cè)和救助[4]。由于災(zāi)后環(huán)境復(fù)雜惡劣、空間狹窄、有毒和易燃易爆氣體等，隨時(shí)可能發(fā)生二次災(zāi)害，嚴(yán)重威脅救援人員生命安全，對(duì)搶奪黃金救援時(shí)間提出巨大挑戰(zhàn)[5，6]。

隨著礦山智能化和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展[7，8]，井下探測(cè)機(jī)器人作為特種機(jī)器人中重要的分支之一，在井下探測(cè)、搶險(xiǎn)甚至救援中愈加發(fā)揮舉足輕重的作用，其可替代工作人員或救援人員進(jìn)入高溫、易燃易爆和有毒等危險(xiǎn)災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)偵察探測(cè)以及數(shù)據(jù)采集、處理、反饋等，有效解決井下工作人員面臨的人身安全等問(wèn)題[9，10]。現(xiàn)場(chǎng)指揮人員可以利用其進(jìn)行先期壓制，并根據(jù)其反饋結(jié)果，及時(shí)對(duì)災(zāi)害救援做出科學(xué)判斷和決策[11，12]。

礦災(zāi)后井下塌陷、斷裂以及阻塞等因素，導(dǎo)致地面環(huán)境復(fù)雜多變[13]。因此，機(jī)器人的爬坡越障性能直接決定了其探測(cè)和救援的效率。目前井下探測(cè)機(jī)器人主要有車輪和履帶兩種形式，車輪式機(jī)器人主要應(yīng)用于未發(fā)生災(zāi)害前結(jié)構(gòu)性地面的井下常規(guī)巡檢，履帶式機(jī)器人因其接地面積大、越障性能強(qiáng)而應(yīng)用于災(zāi)害后非結(jié)構(gòu)復(fù)雜地面的探測(cè)和救援[14-16]。目前擺臂越障機(jī)器人主要集中在純履帶式、雙擺臂結(jié)構(gòu)上，四擺臂的機(jī)器人越障機(jī)理分析主要集中在數(shù)學(xué)模型分析和仿真階段[17-18]。因此，本文設(shè)計(jì)了礦山偵察機(jī)器人，通過(guò)對(duì)其動(dòng)力學(xué)和模態(tài)分析，研究了機(jī)器人本體參數(shù)與越障間的機(jī)理關(guān)系，并進(jìn)行了場(chǎng)地性能實(shí)測(cè)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了分析方法的有效性，為進(jìn)一步機(jī)器人智能化感知和越障控制提供了理論指導(dǎo)。

1 礦山偵察機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

履帶式移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)器人具備更加優(yōu)越的越野機(jī)動(dòng)性能，并且具備原地差速轉(zhuǎn)向特點(diǎn)，且配合擺臂越障機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)更復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)災(zāi)后地面環(huán)境。

1.1 機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)組成

礦山偵察機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

1—本體；2—移動(dòng)組件；3—前端擺臂組件；4—后端擺臂組件；5—探測(cè)系統(tǒng)；6—通訊天線；7—救援組件圖1 礦山偵察機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

本體為偵察機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)載體，內(nèi)部設(shè)置有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、電源和控制器等器件，外部?jī)蓚?cè)安裝有輪系組件，用以驅(qū)動(dòng)移動(dòng)組件和擺臂組件作業(yè)，也是整套礦山偵察機(jī)器人的基本框架。懸掛組件為獨(dú)立式懸掛系統(tǒng)，分別設(shè)置在本體的兩側(cè)，對(duì)本體起到減震、越障等作用。前、后端擺臂組件可實(shí)現(xiàn)相對(duì)移動(dòng)組件的擺臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用以實(shí)現(xiàn)爬坡越障功能，前端擺臂左右對(duì)稱安裝在本體前端；后端擺臂左右對(duì)稱安裝在本體后端；前、后端擺臂還通過(guò)軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與內(nèi)部擺臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，用以實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)整。移動(dòng)組件用以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和差速轉(zhuǎn)向，通訊天線連接內(nèi)部的通訊板卡用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人探測(cè)參數(shù)的發(fā)送和控制指令的接收，救援組件用于實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)障礙物的搬離與人員協(xié)助救援工作。

1.2 機(jī)器人擺臂和移動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提升機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)地面尤其是礦難后的通過(guò)性能，在移動(dòng)機(jī)構(gòu)前后兩側(cè)均增加擺臂組件，前、后端擺臂組件采用外擺臂結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用齒輪傳動(dòng)，礦山偵察機(jī)器人移動(dòng)和擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

1-1—前擺臂驅(qū)動(dòng)輪；1-2—前擺臂從動(dòng)輪；1-3—前擺臂履帶；2-1—承重輪；2-2—移動(dòng)履帶；4-1—右驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4-2—右驅(qū)動(dòng)減速箱；5-1—前擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)；5-2—前擺臂減速箱圖2 礦山偵察機(jī)器人移動(dòng)和擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2中，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)將動(dòng)力經(jīng)驅(qū)動(dòng)減速箱傳送至驅(qū)動(dòng)輪上實(shí)現(xiàn)履帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力傳輸?shù)男瘦^高；擺臂減速箱將擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力源降速增距后傳送至擺臂組件上。將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)和擺臂電機(jī)呈現(xiàn)對(duì)向前后放置有利于機(jī)器人重心配比，提高機(jī)器人爬行時(shí)本體的穩(wěn)定性。在前后擺臂的驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間，還設(shè)置有張緊模塊，實(shí)現(xiàn)擺臂履帶的自張緊，有利于提高機(jī)器人爬坡越障時(shí)履帶與的摩擦力，也防止或降低掉履帶的風(fēng)險(xiǎn)。

由于前后擺臂機(jī)構(gòu)采用不同的動(dòng)力源單獨(dú)進(jìn)行擺臂和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，因此可以實(shí)現(xiàn)各自不同的姿態(tài)和移動(dòng)速度驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多模態(tài)的運(yùn)動(dòng)，也有利于機(jī)器人的模塊化和輕量化。

2 礦山偵察機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)建模

機(jī)器人在井下偵察，應(yīng)具備較強(qiáng)的爬坡越障能力，而影響其爬坡越障性能的重要因素之一是機(jī)器人的質(zhì)心位置分布，因此需要對(duì)其分析設(shè)計(jì)[18，19]。

圖3 機(jī)器人擺臂及越障高度幾何分析

如圖3所示，大地坐標(biāo)系為XbObYb，本體后部的后擺臂驅(qū)動(dòng)輪及沿本體軸向、垂向設(shè)置為本體坐標(biāo)系X0O0Y0；以前擺臂驅(qū)動(dòng)輪以及沿?cái)[臂軸向、垂向設(shè)置為前擺臂坐標(biāo)系X1O1Y1；以后擺臂組件后部的從動(dòng)輪軸心以及沿?cái)[臂軸向、垂向設(shè)置為后擺臂坐標(biāo)系X2O2Y2。其中，CM、Cf、Cr分別為機(jī)器人的本體質(zhì)心、前后擺臂質(zhì)心。其中，M=85kg，為機(jī)器人本體重量；mf=23kg，為前擺臂重量；mr=24kg，為后擺臂重量；R=104mm，本體驅(qū)動(dòng)輪半徑；r=58mm，擺臂從動(dòng)輪半徑；L0=939mm，為本體前后驅(qū)動(dòng)輪軸距；l=319mm，擺臂驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪軸距；Lf=195mm，為前擺臂質(zhì)心與驅(qū)動(dòng)輪間距；Lr=179mm，為后擺臂質(zhì)心與驅(qū)動(dòng)輪間距；LM=437mm，為本體質(zhì)心與后驅(qū)動(dòng)輪的間距；h=72mm，為本體質(zhì)心與本體幾何中心的垂向間距。此外，圖中符號(hào)H表示障礙物高度，θ為機(jī)器人本體相對(duì)水平地面的夾角，前、后擺臂相對(duì)本體的角度分別為α和β，G為機(jī)器人受到的總重力，方向垂直向下。

根據(jù)質(zhì)心變換方程，機(jī)器人本體坐標(biāo)系的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

3 爬坡越障性能分析

機(jī)器人在井下災(zāi)后偵察時(shí)，當(dāng)需要跨越較小、較矮的障礙物時(shí)，與單純的非擺臂式機(jī)器人，擺臂式機(jī)器人無(wú)需依賴前后擺臂即可跨越障礙物；但當(dāng)需要跨越較大、較高的障礙物時(shí)，則需對(duì)前后擺臂進(jìn)行施加控制策略，保證高性能越障，因此需要分析機(jī)器人越障機(jī)理過(guò)程并計(jì)算越障最大裕度以期提高機(jī)器人控制效能和偵察效率[20]。

3.1 機(jī)器人越障過(guò)程模態(tài)分析

機(jī)器人在對(duì)較高障礙物攀越過(guò)程中，需要前、后擺臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行輔助越障，步驟如下(圖4)：

圖4 機(jī)器人越障過(guò)程

1)機(jī)器人行進(jìn)至障礙物前方見圖4(a)，前擺臂機(jī)構(gòu)擺動(dòng)使其搭觸在障礙物表面，后擺臂機(jī)構(gòu)保持水平狀態(tài)以獲得最大接觸面積，為越障準(zhǔn)備見圖4(b)。

2)控制本體移動(dòng)機(jī)構(gòu)前移，同時(shí)在前擺臂機(jī)構(gòu)的履帶帶動(dòng)作用下，車體前側(cè)與地面分離，前擺臂下側(cè)履帶與障礙物繼續(xù)接觸摩擦，本體抬升見圖4(c)。

3)機(jī)器人質(zhì)心位置上移，質(zhì)心跨越過(guò)障礙物最高點(diǎn)見圖4(d)。此后后擺臂向下翻轉(zhuǎn)，支撐本體繼續(xù)前移翻越障礙物見圖4(e)。

4)機(jī)器人本體質(zhì)心翻越過(guò)障礙物，移動(dòng)機(jī)構(gòu)繼續(xù)前移，前擺臂和移動(dòng)組件履帶接觸地面，越障完成，擺臂機(jī)構(gòu)反向回收并恢復(fù)至初始位置見圖4(f)。

3.2 機(jī)器人前擺臂越障過(guò)程模態(tài)分析

機(jī)器人在對(duì)較高障礙物攀越過(guò)程中，前擺臂機(jī)構(gòu)需要搭觸在障礙物表面，根據(jù)機(jī)器人機(jī)體參數(shù)可知，由于擺臂組件的驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪半徑不同，其軸線與驅(qū)動(dòng)輪輪緣處存在一個(gè)夾角δ，如圖5所示。

圖5 機(jī)器人越障與前擺臂幾何關(guān)系圖

H=R+(l-r·tanδ)cosα

(3)

即：機(jī)器人越障最大高度與前擺臂長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪的半徑以及擺臂角度均有關(guān)系。根據(jù)本文中的機(jī)器人基本參數(shù)可求得理論越障高度與擺臂角度的關(guān)系曲線，如圖6所示。圖中分別對(duì)比了不同長(zhǎng)度擺臂下機(jī)器人的越障高度曲線。

圖6 機(jī)器人越障高度與前擺臂角度關(guān)系

從圖中的不同擺臂長(zhǎng)度下的機(jī)器人越障高度曲線可以分析得出，當(dāng)前擺臂的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，也即擺臂驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪軸距l(xiāng)越長(zhǎng)時(shí)，機(jī)器人越障性能越好，越障高度越高，且在擺臂角度較小時(shí)差距更加明顯。但擺臂長(zhǎng)度越長(zhǎng)則會(huì)增加機(jī)器人整機(jī)長(zhǎng)度和重量，不利于機(jī)器人小型化。因此，需對(duì)前擺臂合理設(shè)計(jì)，便于機(jī)器人在狹小空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，適合更多的探測(cè)和救援場(chǎng)景。

為了保證機(jī)器人在越障過(guò)程中不打滑，還需要滿足摩擦力條件：

Gsinαmax≤μGcosαmax

(4)

式中，μ為移動(dòng)機(jī)構(gòu)與障礙物之間的摩擦系數(shù)，αmax則為機(jī)器人與障礙物臨界穩(wěn)定時(shí)的本體與水平之間的夾角，并且滿足：αmax

可以看出，機(jī)器人越障高度與前擺臂軸距長(zhǎng)度有關(guān)，擺臂軸距長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越障能力越強(qiáng)；同時(shí)，擺臂角度越小，越障性能越好。當(dāng)擺臂軸距長(zhǎng)度為319mm時(shí)，理論最大越障高度為414mm。

3.3 機(jī)器人后擺臂輔助越障過(guò)程模態(tài)分析

為進(jìn)一步提升機(jī)器人越障高度，需要后擺臂進(jìn)行輔助支撐越障分析，如圖7所示。圖中，前、后擺臂相對(duì)本體的角度分別為α和β；Cf、Cr分別為機(jī)器人的本體質(zhì)心、前后擺臂質(zhì)心；Hmax為最大越障高度。

首先，計(jì)算后擺臂組件非最優(yōu)的情況下越障最大值。此時(shí)機(jī)器人本體與地面的俯仰夾角為θ，質(zhì)心坐標(biāo)CM(xG，yG)，則機(jī)器人最大越障高度為：

其中，xG，yG為質(zhì)心沿x0，y0坐標(biāo)軸上的位置坐標(biāo)?？梢钥吹?，在機(jī)器人的幾何參數(shù)確定的情況下，其最大越障高度Hmax與車身的俯仰角θ及前、后擺臂的翻轉(zhuǎn)角度α，β有關(guān)。

圖7 機(jī)器人后擺臂輔助越障

對(duì)前擺臂翻轉(zhuǎn)角度α求偏導(dǎo)，可得到前擺臂組件的擺臂角度α與最大越障高度H的關(guān)系，滿足：

圖8 機(jī)器人越障高度與后擺臂角度關(guān)系

4 爬坡越障試驗(yàn)與結(jié)果分析

為對(duì)上述的機(jī)器人越障性能分析和機(jī)器人實(shí)際越障性能驗(yàn)證，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)逐步增加越障高度，得到機(jī)器人最高越障性能，如圖9所示。

圖9 機(jī)器人越障實(shí)際場(chǎng)景試驗(yàn)圖

圖9(a)中，機(jī)器人前擺臂變形至垂向狀態(tài)，機(jī)器人移至障礙物的前端處，激光傳感器對(duì)障礙物距離和高度測(cè)量分析計(jì)算待越障的障礙物高度信息。圖9(b)中，控制器根據(jù)獲取的障礙物高度信息計(jì)算，分析出此場(chǎng)景下機(jī)器人前擺臂角度?？刂破骺刂茩C(jī)器人前端擺臂機(jī)構(gòu)擺動(dòng)到合適的角度。此后，控制器控制動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶底盤前進(jìn)，使前擺臂機(jī)構(gòu)擺動(dòng)使其搭觸在障礙物表面，控制后擺臂機(jī)構(gòu)保持水平狀態(tài)以獲得最大接觸面積，為越障做準(zhǔn)備。圖9(c)中，控制器控制本體移動(dòng)機(jī)構(gòu)前移，同時(shí)在前擺臂機(jī)構(gòu)的履帶帶動(dòng)作用下，車體前側(cè)與地面分離，前擺臂下側(cè)履帶與障礙物繼續(xù)接觸摩擦，本體抬升。圖9(d)中，機(jī)器人質(zhì)心位置上移，質(zhì)心跨越過(guò)障礙物最高點(diǎn)。圖9(e)中，機(jī)器人重心越過(guò)障礙物最高點(diǎn)，控制器控制后擺臂向下翻轉(zhuǎn)，支撐本體繼續(xù)前移翻越障礙物。圖9(f)中，機(jī)器人本體質(zhì)心翻越過(guò)障礙物后，移動(dòng)機(jī)構(gòu)繼續(xù)前移，機(jī)器人前擺臂履帶和移動(dòng)組件履帶接觸地面，機(jī)器人越障完成，擺臂機(jī)構(gòu)回收并恢復(fù)初始位置，越障任務(wù)完成。

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)值對(duì)應(yīng)的前、后擺臂角度與越障高度的數(shù)值及與理論值的對(duì)比如圖10所示?？梢钥吹剑煌那昂髷[臂角度對(duì)應(yīng)的越障高度與理論值趨勢(shì)一致，且數(shù)據(jù)誤差較小，驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)建模的正確性和有效性。此外，從圖中可以看到越障高度上試驗(yàn)值稍高于理論值，原因在于測(cè)試時(shí)履帶外部具有防滑墊，因?yàn)閺椥跃壒蕦?dǎo)致機(jī)器人重心稍偏低，進(jìn)一步提升了機(jī)器人的越障高度?？傮w來(lái)說(shuō)，機(jī)器人試驗(yàn)的越障高度超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)，為467mm，滿足常規(guī)的應(yīng)用要求。

圖10 機(jī)器人越障高度理論與實(shí)際對(duì)比

實(shí)際試驗(yàn)中，還對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了爬坡和運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。表1中，直行速度的理論值根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)額定值及電機(jī)-輪系傳動(dòng)比計(jì)算得到，理論轉(zhuǎn)向速度根據(jù)左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)和及電機(jī)-輪系傳動(dòng)比關(guān)系獲取，理論越障高度和爬坡角度由前面章節(jié)的仿真分析獲得。

表1 機(jī)器人越障性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果知：機(jī)器人實(shí)際移動(dòng)速度最快為0.88m/s，高于設(shè)計(jì)指標(biāo)和理論值，原因在于電機(jī)實(shí)際功率和轉(zhuǎn)速稍高于標(biāo)稱值。機(jī)器人轉(zhuǎn)向速度達(dá)到1.62rad/s，約4s完成一圈的原地轉(zhuǎn)向功能?？鍦蠈挾茸畲蟮?67mm，爬坡角度可達(dá)47.3°，較常規(guī)履帶式移動(dòng)底盤的爬坡角度極限38°具有優(yōu)勢(shì)，更適合應(yīng)用在礦山等非結(jié)構(gòu)的地面環(huán)境中。

5 結(jié) 論

1)基于設(shè)計(jì)的擺臂式偵察機(jī)器人樣機(jī)，對(duì)機(jī)器人越障性能進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模和關(guān)鍵參數(shù)的模態(tài)分析，獲得了機(jī)器人爬坡越障性能與各參數(shù)的機(jī)理關(guān)系，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，可合理設(shè)計(jì)機(jī)器人各參數(shù)以匹配實(shí)際爬坡越障需求，同時(shí)也為機(jī)器人優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

2)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用需求，進(jìn)行了機(jī)器人關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，并對(duì)擺臂式偵察機(jī)器人進(jìn)行的越障機(jī)理進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)測(cè)值與理論分析值誤差小于1%，機(jī)器人最大爬坡越障高度大于400mm，滿足絕大數(shù)非結(jié)構(gòu)地面環(huán)境，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3)下一步，將結(jié)合礦山偵察的實(shí)際場(chǎng)景需求，進(jìn)行環(huán)境感知的越障智能控制算法研究，推進(jìn)機(jī)器人偵察應(yīng)用示范工作。