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1、机器人人技术基基础大大作业智能搜索索机器人人设计多节节履带式式煤矿井井下搜索索机器人人设计班级：33201107004班设计小组组：张吉吉红、刘刘志伟、李李泽宇、潘潘永飞、沈沈晓川、孙孙琛时间：220100年12月29日目录1. 机器人设设计目的的22. 机器人结结构设计计32.1煤煤矿事故故现场环环境分析析42.2煤煤矿搜索索机器人人总体结结构设计计42.3煤煤矿搜索索机器人人行走履履带设计计52.3.1履带带接地应应力和地地面承载载能力62.3.2地面面最大推推力72.3.3地面面最大推推力牵引引力的影影响因素素82.4煤煤矿搜索索机器人人关节模模块设计计92.5煤煤矿搜索索机器人人单元模
2、模块设计计1002.6煤煤矿搜索索机器人人运动驱驱动设计计1223.小结结131. 机器人设设计目的的近年来，随随着原油油价格不不断攀高高，国际际能源紧紧张局面面再次显显现。我我国有着着储量丰丰富的煤煤炭资源源，是目目前经济济发展和和社会运运行的主主要能源源之一，全全球能源源紧张局局势的加加剧和经经济高速速发展的的迫切需需要，对对煤炭的的需求量量快速增增长，促促使许多多煤矿超超量超载载运营。由由于对安安全保障障设施投投入的不不足或各各种非法法的开采采，导致致矿难事事故不断断发生，对对人民的的生命安安全构成成了严重重的威胁胁，给社社会财产产造成了了严重的的损失。据统计：20005年全全国煤矿矿共
3、发生生死亡事事故33341起起，死亡亡59886人；一次死死亡100人以上上特大事事故588起，死死亡17739人人；一次次死亡33-9人人重大事事故2110起，死死亡8886人。从从20004年四四季度到到20005年发发生的百百人以上上的矿难难事故就就有6起。20006年年1至4月份，全全国煤矿矿发生安安全事故故死亡111544人，发发生一次次死亡33-9人人的重大大事故444起，一一次死亡亡10人以以上特大大事故44起，一一次死亡亡30人以以上特别别重大事事故1起，20006年年全国煤煤矿共发发生事故故2944起、死死亡47746人人。全国国煤矿平平均2.5天就就发生一一起一次次死亡33
4、人以上上的重特特大事故故。矿难难事故主主要包括括瓦斯事事故、粉粉尘爆炸炸事故、顶顶板事故故、水害害事故、运运输事故故等，其其中以瓦瓦斯事故故最为严严重，死死亡人数数所占比比例最大大。20005年年全国煤煤矿发生生瓦斯事事故4005起，死死亡21157人人，瓦斯斯事故死死亡人数数占全国国煤矿事事故总死死亡人数数的366.0%。煤矿矿井下发发生瓦斯斯、煤尘尘等爆炸炸事故后后，井下下环境异异常凶险险，抢险险人员一一般难以以在第一一时间进进入，往往往在井井上等待待很长时时间，直直到井下下情况有有所好转转才能下下井，耽耽误了宝宝贵的救救援时间间。事故故专家和和决策者者也由于于缺少信信息无法法及时做做出判
5、断断和决策策，许多多矿工因因救援不不及时而而丧生。基于此，本本文提出出一种多多节履带带式搜索索机器人人携带各各类传感感器等检检测设备备，先于于抢险人人员进入入井下，发发挥自身身越障功功能到达达矿井深深处，探探测井下下爆炸事事故破坏坏和环境境、人员员情况，并并通过分分散在巷巷道内的的小型通通讯节点点利用无无线通讯讯手段将将信息以以声、像像和数据据的形式式实时反反馈到控控制中心心，辅助助指挥人人员进行行紧急决决策或实实施快速速、有效效的救助助。该项项目研究究对提高高煤矿事事故应急急抢险能能力、减减少人员员伤亡、决决策建议议具有重重要的意意义，同同时也促促进了机机器人技技术的研研究、应应用和推推广。
6、为为煤矿事事故处理理过程中中更安全全、更快快速地搜搜索被困困人员、侦侦察和监监督危险险地域情情况提供供一种替替代人工工作业的的高效煤煤矿井下下搜索探探测机器器人，为为减少人人员伤亡亡、确保保安全生生产提供供有力支支持，为为煤矿生生产现代代化、提提升煤矿矿安全生生产水平平起到积积极的推推进作用用。本文文研究的的机器人人除用于于煤矿矿矿井安全全生产探探测以及及用于抢抢险目的的外，还还可用于于地铁硫硫矿、铜铜矿爆炸炸等生产产矿山和和其它事事故灾害害现场，广广阔的推推广领域域极大地地提高了了其社会会效益和和经济效效益。单元模块块对于完成成搜救任任务的机机器人可可以分为为如下五五个系统统：机械械系统、控
7、控制系统统、通信系统统、传感感系统和和能源供供给系统统。功能实现现在此基础础上发展展适当的的智能控控制，进进入到半半自主和和遥控相相结合的的阶段，机机器人能能够辨别别障碍，构构建电子子地图，并并进行自自主避障障、路径径规划、路路径跟踪踪、任务务规划等等。并进进一步提提高机器器人的搜搜索能力力，包括括特征识识别、环环境识别别，具体体为辨认认幸存者者和环境境结构。未未来将提提高机器器人的视视觉、机机械和远远程医疗疗的能力力，机器器人将能能够救助助已经没没有意识识的幸存存者，能能够在非非结构环环境中开开辟通道道，可以以对幸存存者进行行医疗救救助。2.机器器人结构构设计2.1煤煤矿事故故现场环环境分析
8、析煤矿事故故发生后后，井下下呈现出出非常复复杂的非非结构化化环境，尤尤其发生生爆炸后后，各种种碎片散散落堆积积、并可可能伴有有积水、淤淤泥等，对对煤矿搜搜索机器器人来讲讲，环境境异常恶恶劣，图图2-11显示了了矿井下下的一些些情况。通过分析析，煤矿矿发生事事故后的的地形可可以总结结为：(1)入入口狭小小；(22)有限限的空间间；(33)地面面有积水水；(44)爆炸炸腐蚀气气体；(5)到到处充满满碎片不不稳定结结构；(6)缺缺少照明明；(77)通讯讯困难，GPS不能用。2.2煤煤矿搜索索机器人人总体结结构设计计通过对煤煤矿搜索索机器人人使用环环境分析析，我们们可以得得出井下下搜索探探测主要要面对
9、四四种障碍碍(如图2-2所示示)：(1)普通的的粗糙地地面；(2)相相对机器器人车体体较高的的障碍；(3)上下甚甚至左右右都有障障碍只有有一个狭狭小的开开放空间间；(44)相对对机器人人车体较较长的裂裂缝。机器人在在煤矿井井下深处处所经历历的复杂杂地形，对对其越障障能力提提出了更更加严格格的要求求。首先先，搜索索机器人人必须具具有很强强的地形形附着能能力，履履带式机机器人可可以满足足这个要要求，比比轮式机机器人更更适合井井下环境境。其次次，搜索索机器人人必须能能进入狭狭窄空间间和跨越越较大裂裂缝(相对自自身大小小)。单体体履带移移动机器器人具有有较大的的体积(横截面面)，因而而不能进进入狭窄窄
10、空间和和跨越较较大裂缝缝，而蛇蛇形细长长结构移移动机器器人可以以满足这这一点。另另外，为为了增加加煤矿井井下的无无线通讯讯能力，机机器人还还必须能能携带通通讯节点点。根据据以上的的应用环环境条件件和实际际功能分分析，本本文研究究的机器器人采用用五单元元模块串串联的多多履带构构型多关关节铰接接的蛇形形结构34-39，如图图2-33所示。搜索机器器人包括括头部单单元模块块、控制制单元模模块、电电源单元元模块、气气瓶(防爆)单元模模块和节节点单元元模块，每每个单元元模块具具有不同同的功能能，且装装有自己己独立的的电机、减减速器、驱驱动器等等。单元元模块由由关节串串联。另另外，单单元模块块内部腔腔体通
11、过过软管相相连，用用于布线线和通气气。2.3煤煤矿搜索索机器人人行走履履带设计计(刘志伟伟)搜索机器器人的每每个单元元模块采采用上下下左右四四周包覆覆履带结结构，如如图2-4所示示。每个个单元模模块的所所有履带带由一个个电机驱驱动，如如图2-11所所示。这这种行走走结构可可以提高高机器人人的运动动能力，防防卡死，所所有履带带采用单单电机同同时驱动动，可以以减小机机器人本本体的质质量和尺尺寸，同同时也可可以简化化控制系系统的设设计。当机器人人进入狭狭小空间间，上下下履带可可以分别别与空间间的上部部和地面面接触，使使得机器器人获得得更大的的前进动动力；并并且上下下履带在在前进过过程中会会将上方方落
12、下的的障碍物物和地面面上的障障碍物卷卷向后方方，以“挖挖掘”的的方式前前进，可可防止机机器人被被障碍物物卡死。当当机器人人在井下下复杂弯弯曲巷道道中前进进时，侧侧履带与与巷道侧侧面的接接触有利利于助推推和转向向。当机机器人车车体发生生大的倾倾斜，下下履带不不能很好好地附着着地面时时，侧履履带与巷巷道底面面的接触触和相对对运动可可以起到到助推的的作用；当有比比较大的的转弯时时，侧履履带与巷巷道侧面面的接触触不但避避免了车车体卡死死，还能能以较大大的驱动动力辅助助转弯。对对于履带带式移动动机器人人，履带带与地面面的相互互作用直直接影响响其运动动性能。机机器人与与地面属属性是紧紧密联系系的，它它们之
13、间间有整体体不可分分离性，所所以需要要全面考考虑履带带-地面作作用对机机器人结结构的影影响。2.3.1履带带接地应应力和地地面承载载能力履带可以以看作搜搜索机器器开，机机器人在在上面通通过，然然后力较较低的地地面，且且牵引力力较大。履履带可分分为刚性性履带和和柔性履履带两种种：刚性性履带能能够阻止止履带向向内屈曲曲，保证证非常均均匀的接接地压力力，限于于低速车车辆；柔柔性履带带分为连连续履带带和间隔隔履带。本本机器人人的履带带可以归归类为柔柔性连续续板销型型结构。本机器人人的履带带负重不不大，但但负重轮轮位置压压力与负负重轮间间压力有有差值，所所以采用用履带下下的平均均最大压压力pmm（定定义
14、为所所有负重重轮下最最大压力力的平均均值）作作为评价价机器人人软地性性能的指指标。ppmm 按式2-1估算算。pmm = （2-11）其中： W：机机器人质质量（kkg）；n：一条条履带上上的负重重轮数；b：履带带宽度(cm)；d：负重重轮外径径(cmm)；p：履带带节距(cm)。通过该公公式计算算本机器器人的ppmm75kkPa。对对于履带带车辆，当当pmm值低低于1666.66kPaa时，在在软地上上有很好好的机动动性，当当超过2294kkPa时时，在软软地上的的机动性性会受到到很大限限制。对对于泥炭炭沼泽地地区，要要求pmm不超超过499kPaa，可见见该地区区本机器器人难以以通过。使土
15、体失失去整体体稳定的的载荷WWc称为极极限载荷荷，即地地面的极极限承载载能力。取取两种典典型情况况地面的的计算结结果，即即摩擦性性土壤和和内聚性性土壤。式(2-2)和和(2-3)说说明：在在摩擦性性土壤中中，履带带下土壤壤的承受受能力与与履带宽宽度的平平方成正正比，为为提高承承载能力力，应该该缩短履履带接地地长度增增加履带带宽度；对于内内聚性地地面，临临界载荷荷仅取决决于履带带接地面面积。2.3.2地面面最大推推力履带车辆辆所能产产生的最最大牵引引力主要要与地面面所能产产生的最最大推力力有关由由土壤的的抗剪强强度所决决定的推推力称为为土壤的的最大推推力，用用FHmaax表示示。根据据库仑方方程并考考虑履刺刺产生的的附加牵牵引力，土土壤的
