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1、摘 要灾害发生之后为了能够尽快地搜救被困人员，人们开发了各种各样的灾害生命搜索定位设备，搜救机器人就是其中的一种。搜救机器人的应用涉及到搜救策略和搜救机器人本体技术开发两个问题，这两个方面的不断研究将共同推动搜救机器人的应用和发展。全套图纸加153893706搜救机器人使用策略的首要问题就是如何选用搜救机器人的问题。当前世界各国正在开发了各式各样的灾害搜救机器人，然而到目前为止这些机器人系统还没有一套明确统一的描述标准和评价办法，这给如何选择使用合适的机器人参与具体的救援行动带来了很大的困难。煤矿搜救机器人本身的研究和开发，也是当前煤矿救援研究的重点方向之一。本文详细介绍了履带式复杂地形机器人
2、平台结构的组成。首先对履带机器人移动平台的总体结构进行设计，从而设计了移动平台的驱动系统结构，同时考虑了机器人移动平台的通用性，设计了回转平台结构和升降机构，以便机器人能够适应不同的环境的工作。本文还对驱动系统中间传动机构进行了设计计算和校核。从机器人的行走条件入手，建立其运动模型，对机器人行走系的运动学与动力学进行分析，对运行及越障过程和抗倾覆能力进行分析研究。通过分析计算本设计能够满足设计要求，为下一步深入研究奠定了基础。关键词 救援 机器人 履带 传动机构 AbstractIn order to search and rescue victims in time after a disa
3、ster, people have developed kinds of search and rescue equipments, the search and rescue robot is one of them. Its apply of search and rescue robots (SARR), we need to research two problems, one is the rescue strategy, and the other is the development of SARR. They promote the applications and devel
4、opment of SARR together. The most important issue of the strategy to use of search and rescue robot is how to choose the search and rescue robots. By far, kinds of search and rescue robots have been developed by different countries, but there is not a uniform and definite description standard of the
5、m,this makes it difficult to select and uce appropriate robot for undertaking the concrete tasks. The research and development of the Mine rescue robot is also one of the focuses of the study Of the current Coal mine rescue .This thesis described constitute of crawler complex terrain robot platforms
6、 structure. First this thesis designed the overall structure of mobile platform of robot, further the driven part of the structure of mobile platform. Taking into the mobile robot platform interoperability, designed a rotating platform and organization of ascend and descend to the robot can adapt to
7、 the environment. And designed and verified the middle spread to move organization of the drive system. Analyzed the kinematics and dynamics of robots walking system. Established its campaign model from running conditions, researched on obstacle-crossing and the capability of anti-overturning. The d
8、esign would provide base for further researching. Key words SAR Robot Track Transmission 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 研究背景11.2 国内外发展现状21.3 本课题的研究内容51.3.1 本课题的任务要求51.3.2 本课题的研究内容5第2章 移动平台结构设计62.1 移动平台总体结构设计62.1.1 移动方式的选择62.1.2 总体结构方案的确定72.1.3 履带底盘总体基本尺寸的确定102.2 驱动系统结构设计132.3 回转平台的结构设计152.4 剪式升降平台设计16
9、第3章 驱动系统设计计算与校核193.1 中间传动机构设计计算193.1.1 齿轮传动的特点和应用193.1.2 中间级齿轮传动主要参数的确定193.2 驱动轴的校核243.2.1 驱动轴结构设计253.2.2 驱动轮轴受力分析253.2.3 驱动轴强度的校核28第4章 履带机器人的运动学与动力学分析324.1 履带机器人的运动学分析324.1.1 移动平台运动坐标系的建立324.1.2 运动学模型334.1.3 逆运动模型354.2 移动平台动力学分析364.2.1 移动机器人运动机理研究364.2.2 电机的选择374.2.3 移动平台在正常环境下行驶分析384.2.4 机器人爬坡行驶分析
10、394.2.5 机器人越障过程分析404.2.6 机器人越沟槽分析424.2.7 机器人行走抗倾覆状态分析44第5章 经济技术分析45结 论46致 谢47参 考 文 献48附录 150附录 254I第1章 绪 论1.1 研究背景我国是世界产煤大国,由于作业设备与工艺相对落后,管理水平欠缺等原因,各类矿难事故频繁发生,导致煤矿事故死亡人数居世界首位。近年来由于国内对煤炭需求的不断增加,煤炭企业超负荷运转,导致煤炭生产的安全形势仍有进一步恶化的趋势。死亡率居高不下的原因除了机械化程度低、煤层地质结构复杂、高瓦斯矿井多等原因之外,矿难救援水平落后也是一个不可忽略的重要因素。事故发生后无法迅速准确地得
11、到灾难现场的信息,如瓦斯浓度的高低、灾难现场是否发生火灾、被困或遇难人员的位置以及现场温度、氧气含量、CO等有害气体的含量、现场倒塌状况等。常常会因为井下复杂危险的环境而阻碍救援人员深入井下开展工作，从而延误了救援工作的开展。血的事实告诉我们，没有高效的灾害生命搜索定位装备，没有实用的应急救助设备，在灾害发生之后，我们就无力营救我们被困的矿工，无法为我们的同胞提供应有的帮助。开展应急救灾搜索定位装备是当前函待解决的重大课题，它关系到我们的建设和谐社会主义的理念能否体现，它关系到我们的人权和我们的国际声誉。搜救机器人作为一种高效的搜索定位工具已经开始在灾害救助工作中崭露头角。像煤矿井下这类环境恶
12、劣的情况下，正是搜救机器人的理想工作场合。目前我国搜救机器人水平与国外相关技术差距很大，主要是我国一直以来没有对搜救机器人研究与开发给与足够的重视，人力物力财力投入较少1。而美国、日本以及欧洲发达国家都已经在广泛开展危险场合下的机器人研究和应用工作，政府部门也将危险环境下的搜救机器人研究列为了关键技术加以扶植。国际国内针对于煤矿搜救机器人的研究和应用正处于起步阶段，我国中国矿业大学研制了一台煤矿救援机器人，取得了一定的成绩。本设计主要对井下救援机器人的结构进行设计，然而煤矿搜救机器人的应用研究和开发是一个大的系统，还有很多的工作和任务需要完成，这需要很多人的长时间的工作和努力才能最终实现。1.
13、2 国内外发展现状（1）国外机器人的发展过程及现状救援机器人于20世纪80年代从国外开始起步，并于1995年日本神户一大阪及随后的美国俄克拉马荷州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案发生之后引起了大地震及随后的美国俄克拉马荷州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案发生之后引起了人们的广泛关注。在这一阶段虽然在理论上搜救机器人技术己经日趋成熟，但基本上还停留在实验室阶段，参加实际救援行动较少。2001年美国9.11事件发生之后，美国机器人辅助救援中心应邀参加了灾后救援行动，这是搜救机器人第一次正式参加实际灾害救援行动。USAR、南佛罗里达大学、Foste- Miller公司等几家单位的机器人参与了此次行动并取得了一定程度
14、的成功，同时也暴露出了一些不符合救援任务要求等缺点2。虽然美国、日本等西方发达国家近年来在救援机器人的研究方面做了大量工作,取得了不少的研究成果,但重点放在了地震、火灾等救援机器人的研究工作上。究其原因在于近10 多年来其煤矿安全状况的大大改善3。目前,美、英、德、澳等发达国已基本消灭了矿难重大死亡事故。尽管如此,美国等国家仍然在矿难救援机器人的研究方面投入了不少的精力。图1-1是卡耐基-梅隆大学在美国政府基金资助下于2003年完成的矿难搜救机器人,它是一个完全自主的不需要人工干预的矿难搜救机器人。图1-2是美国劳工部矿业安全与卫生局花巨资购买的用于矿难救援的机器人4。 图1-1 图1-220
15、06年初,美国西弗吉尼亚Sago煤矿发生矿难,造成12名矿工死亡。事故发生后,救援人员使用GPS测定被困矿工的方位,然后从地面上钻了3个深孔,以便给井下输送氧气,同时期望对井下的状况进行检测。救援人员通过深孔向井下派出了一个救援机器人,如图1-3所示,这是搜救机器人被第1次用于矿难的救援,但最终因机器人中途行进过程中陷入泥潭而受阻5。图1-3（2）我国搜救机器人的现状我国的搜救机器人技术起步较晚，但是近年来引起了越来越多的关注并取得了一定的成果，沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学、广东富卫公司等机构都设计了自己的搜救机器人系统6。2005年中科院沈阳自动化研究所与日本国际救援系统研究院联合成立的“中日救援与安全机器人技术研究中心“在沈阳揭牌成立，这标志着我国的搜救机器人研究进入了一个更加快速发展的时期。2006年6月22日，由中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所研制的国内首台煤矿搜救机器人(样机图1-4)在徐州诞生。这台煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，能在煤矿灾害发生后深入事故现场，探测火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息，并实时回传采集到的信息
