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)。
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。
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。
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。
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:
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]。
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)。
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。 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 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。 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。3.3 機(jī)器人后擺臂輔助越障過(guò)程模態(tài)分析
4 爬坡越障試驗(yàn)與結(jié)果分析
5 結(jié) 論