井下探测机器人.pdf

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种可变履带式井下探测机器人，属于机械设计领域。近年来，我省煤矿产业生产过程中频发瓦斯、煤尘等爆炸事故。事故发生后，救援人员无法及时下井，耽误宝贵的救援时间，造成了较多人员的伤亡。针对这一问题，设计一种可变履带式井下探测机器人行走机构，实现翻越连续台阶、圆台地形、矩形凸台、梯形凸台、斜坡地形和沟道地形等，且在汽车转向系统的基础上加以改进，采用一种适用于履带机器人的转向机构，切实做好履带探测机器人的创新、改进与完善工作，为矿井安全生产工作提供有益参考，为我省煤矿井下探测工作作出应有贡献。

权利要求书
1.  一种可变履带式井下探测机器人，其外形尺寸的技术特征在于：
(1)车体长1200mm，宽1147mm，高772mm；
(2)变履带中驱动轮和导向轮之间的距离是680mm，即履带架长680mm；
(3)主臂杆长695mm；
(4)驱动轮、导向轮、变履带齿轮直径均为154mm；
(5)履带周长为2321mm。

2.  根据权利要求1所述的井下探测机器人，其驱动电机的技术特征在于：两条形状可变的履带均由小型直流伺服电机驱动，电机型号JSF42-3-30-AS-1000，额定功率32w，额定转速3000r/min，经过2级齿轮减速，减速比为1:3和1:2，减速后，电机输出转速降至500r/min。

3.  根据权利要求2所述的机器人，其转向机构的技术特征在于：齿轮与齿条的合理匹配，由电机的旋转带动传动机构的齿轮齿条转向轴转向，齿轮齿数11，齿条齿数31，模数均为2.5，压力角20°，螺旋角12°，齿轮变位系数0.65，齿条变位系数0。

4.  根据权利要求3所述的机器人转向部分，其技术特征在于：梯形结构横拉杆的设计。

说明书井下探测机器人
技术领域
本设计涉及一种机器人，具体涉及一种可变履带式井下探测机器人。
背景技术
黑龙江省委、省政府提出了推动“八大经济区”、“十大工程”建设的发展战略，矿业产业是重点发展的十大产业之一。我省是全国产煤大省，矿井数量多、条件复杂、开采时间长，高瓦斯、高突矿井约占矿井总数的10%。而且，随着开采水平的不断下延，高瓦斯、高突矿井数量逐渐增多。
近年来，关注煤矿安全生产成为了煤矿产业加速发展的重中之重，在煤矿井下发生瓦斯、煤尘等爆炸事故后，第一时间就是解救井下被困人员。然而这种事故的发生往往使得井下环境异常凶险，救援人员无法及时下井，耽误了宝贵的救援时间，这就造成了更多人员的伤亡。事故发生后，井下的各项生命指标是事故专家和决策者做出判断与决策的主要依据，试设计一种可变履带式井下探测机器人，使其深入到井下灾害现场，这一未知的危险区域进行环境探测，并将井下信息及时反馈到救援指挥中心，辅助指挥人员进行紧急决策，并对灾害现场进行评估，为指挥人员制定救援方案提供参考，为救援工作搭建宝贵的通信平台，为我省的煤矿井下探测工作提供有效依据，在资源节约型和环境友好型的社会发展过程中具有广阔的应用前景和重大的现实意义。
发明内容
本设计要解决的问题是根据以上要求并通过设计计算，确定此次设计的机器人行走机构尺寸参数，并绘制井下灾区现场地形的模拟图，再利用Solidworks软件将机器人行走机构与井下灾区现场地形装配为一个整体，然后导入到仿真软件ADAMS中进行虚拟仿真，模拟机器人在起伏不平的地面上运行的情况，考察验证机器人行走机构对于井下复杂地形的通过性与平顺性。
在对井下探测机器人的研究过程中发现，机器人的行走机构研究是设计的首
要任务与技术难点。这是由于煤矿井下环境，尤其是灾害后的环境为空间受限的非结构化环境。由于瓦斯爆炸引起的顶板冒落、片帮、设备错乱翻倒，导致灾区现场地形复杂。这一空间有限的非结构化极端环境给机器人的行走带来非常大的困难。这就要求井下探测机器人的行走机构必须具有较强的对复杂地形的适应能力和爬坡越障能力，以使机器人能够攀越连续台阶、圆形凸台、矩形凸台、梯形凸台、斜坡地形和沟道地形等。
当可变履带式井下探测机器人的两条履带速度相同时，机器人可以实现前进或后退运动；而当两条履带的速度不同时，机器人可以实现转向运动。且两边主臂杆均由直流电机带动，绕履带架上的轴旋转，从而实现履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境，且主臂杆越高，该机器人可攀越的障碍越陡峭。
根据以上要求并通过设计计算，确定了此次设计的机器人行走机构参数：
(1)车体长1200mm，宽1147mm，高772mm；
(2)变履带中驱动轮和导向轮之间的距离是680mm，即履带架长680mm；
(3)主臂杆长695mm；
(4)驱动轮、导向轮、变履带齿轮直径均为154mm；
(5)履带周长为2321mm。
根据以上尺寸，利用CAD软件建立机器人行走机构传动示意图如图1所示，图中1为HH型双筒式车体减震器；2为JSF型直流伺服驱动电机；3为机器人驱动轮；4为680mm履带架；5为直齿圆柱齿轮，齿数Z=72；6为直齿圆柱齿轮，齿数Z=24；7为直齿圆柱齿轮，齿数Z=48；8为机器人导向轮；9为机器人变履带齿轮，齿数Z=42，模数m=3.5；10为695mm主臂杆。
利用Solidworks将机器人各零部件装配起来，可变履带式机器人对地形的适应能力强，支承面积大，动载荷小，路面粘着力强，越野机动性好，且履带支承面上有履齿，履带本身给车轮起铺路的作用，其结构设计紧凑，不易打滑，容易爬坡。该设计还具有结构独特新颖，使用简单方便等优点，有利于机器人发挥较大的牵引力，缓冲井下不规则路面冲击，提高机器人整体机构的稳定性和可靠性。
该设计中，两条形状可变的履带均由小型直流伺服电机驱动，电机型号JSF42-3-30-AS-1000，额定功率为32w，额定转速为3000r/min，经过2级齿轮减速，减速比为1:3和1:2，减速后，电机输出转速降至500r/min。由此计算出的电机转矩为0.1Nm。
通过对煤矿井下环境，尤其是灾区现场地形复杂的非结构化环境进行尺寸参数的调研与现场实地测量，可以对灾区现场地形尺寸特征进行提取与简化，再采用制图软件CAD对灾区现场环境进行模型建立，为下一步实施虚拟仿真做准备。
在对鸡西矿业集团下属各矿灾区现场调研的过程中发现，事故现场的地形特征以台阶地形、凸台地形、斜坡地形和沟道地形为主，各地形的尺寸参数为：
(1)台阶地形，高度约在250mm以下，连续台阶的高度约在150mm~180mm之间，台阶跨度一般取值220~350mm，台阶宽度一般取值600~1200mm，坡度约在8~15°之间；
(2)矩形凸台地形，高度约为130mm，最大高度可至200mm，凸台的斜面坡度约在60~80°之间；
(3)梯形凸台地形，高度约为150mm，最大高度可至180mm，凸台的斜面坡度约在60~70°之间；
(4)圆形凸台地形，直径约在200mm左右；
(5)斜坡地形，煤矿井下长距斜坡地形多为斜巷道，倾角约为 8~15°，短距斜坡倾角约在30~45°之间；
(6)沟道地形，煤矿井下的沟道地形多为排水沟，煤矿井下的沟道地形的宽度约为300 mm，较宽的沟道可达到500mm左右。
应用CAD软件建立井下灾后地形的模型如图2、图3所示。其中，图2为井下灾区地形主视图，图3为井下灾区地形俯视图。图2中1为矩形凸台；2为梯形凸台；3为连续台阶；4为圆形凸台；5为沟道；6为斜坡。
可变履带式机器人行走机构攀越井下地形时的变形能力如图4、图5、图6、图7所示。其中图4为机器人行走机构上凸台过程，图5为机器人行走机构下凸台过程，图6为机器人行走机构上连续台阶过程，图7为机器人行走机构下连续台阶过程。   
再利用Solidworks软件将机器人行走机构模型与井下灾后地形模型装配起来，然后导入到ADAMS软件中进行模拟仿真，考察验证可变履带式机器人行驶的通过性与平顺性。
由于可变履带中的4个齿轮运行状况一致，所以将可变履带底盘上的4个齿轮通过布尔和运算合并为一个整体，将可变履带上的2个顶部齿轮通过布尔和运算合并为另一个整体，并应用ADAMS/View约束库中的运动副来约束仿真模型中各部件的运动。将车体与Ground建立固定副，履带轮与Ground建立移动副，并对机器人底盘上的驱动轮施加转矩，再利用函数表达式对转矩赋值，模拟机器人在起伏不平的地面上运行的情况。
在ADAMS后处理模块ADAMS/Postprocessor中观察仿真过程，得到机器人主车体质心、底盘上的齿轮组、可变履带顶部齿轮组在竖直方向上的速度与位移随时间变化的曲线，如图8、图9所示。其中，图8为可变履带式机器人行走机构攀越井下虚拟地形时，在竖直方向上的速度曲线。图9为可变履带式机器人行走机构攀越井下虚拟地形时，在竖直方向上的位移曲线。
由图8可以看出，点划线为机器人底盘上的齿轮组的速度，实线为可变履带顶部齿轮组的速度，它们由于地形的起伏不平，有不同幅度的变化，而中间的虚线为主车体质心在竖直方向的速度曲线，主车体速度值较小，变化幅度也小于机器人底盘上的齿轮组和可变履带顶部齿轮组，且速度变化相对平稳。由此可见，机器人行走机构主车体的速度在起伏变化的地形中，有效的中和了底盘齿轮组和顶部齿轮组的速度。
由图9可以看出，点划线为可变履带顶部齿轮组的位移，虚线为机器人底盘上的齿轮组的位移，它们的位移由于地形起伏不平，有不同幅度的变化。而中间的粗实线为主车体质心在竖直方向的位移曲线，可变履带式机器人行走机构的主车体质心位移变化较为平稳，将可变履带顶部齿轮组和机器人底盘上的齿轮组的位移进行了近似平均，表征了机器人行走机构主车体的振动较小，在起伏变化的地形中得到了一定的缓冲。
通过以上仿真结果可知，可变履带式机器人行走机构减缓了地形变化对主车体的振动，对复杂的地形具有良好的通过性与平顺性，且有效调节了行走机构主车体的相对平衡，适宜在井下复杂地形中探测环境信息。同时，在汽车转向系统的基础上加以改进，设计出一种适用于可变履带式井下探测机器人的转向机构，并以齿轮齿条式转向结构的设计为中心，其设计过程包括：
(1)驱动电机的选用；
(2)齿轮与齿条的合理匹配；
(3)梯形结构横拉杆的设计。
在考虑上述要求和相关因素的基础上，采用直流伺服电机驱动，电机型号JSF42-3-30-AS-1000，额定功率32w，额定转速3000r/min，经过2级齿轮减速，减速比为1:6。减速后，电机输出转速降至500r/min。由此计算出的电机转矩为0.1Nm。由电机的旋转带动传动机构的齿轮齿条转向轴转向，齿轮齿数11，齿条齿数31，模数均为2.5，压力角20°，螺旋角12°，齿轮变位系数0.65，齿条变位系数0。并通过转向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而促使转向齿条产生相对运动实现转向。同时，转向器结构简单紧凑，轴向尺寸1281mm，尺寸短且零件数目少的优点又能增加助力，从而实现了机器人转向的稳定性和灵敏性，满足强度要求，增加设计的安全性。
首先，利用CAD软件建立转向机构的传动示意图如图10所示。图10中1为HH型双筒式车体减震器；2为齿轮齿条式传动机构，齿条齿数Z=31，齿轮齿数Z=14；3为JSF型直流伺服驱动电机；4为传动齿轮轴；5为梯形结构横拉杆；6为转向机构驱动轮；7为转向机构制动轮。
再利用Solidworks软件，建立可变履带式机器人转向机构各零件模型，再将各零部件装配起来，组成可变履带式井下探测机器人，再建立井下虚拟地形的模型图，并将机器人与井下地形装配起来。
该可变履带式机器人的转向机构对地形的适应能力强，且机构设计紧凑，结构独特新颖，使用简单方便，有效克服了可变履带式机器人转弯速度慢，转弯半径大，转弯效果差的缺陷。在井下灾区现场转弯时，机器人的驱动改由转向机构的驱动轮驱动，且可变履带部分驱动电机开启，实现两条履带的速度不同，有助于机器人顺利实现转向运动，提高机器人整体机构的稳定性和可靠性。
再将利用Solidworks建立的精确三维模型导入到ADAMS软件中，考察可变履带式机器人转向机构转向过程的可靠性与可行性。现假设机器人原地转向90°，转向前在均匀、水平的硬质地面匀速行驶，其行驶速度为0.5m/s，应用ADAMS/View约束库中的运动副来约束仿真模型中各部件的运动。转向时在2个驱动轮上施加运动约束，其约束函数为STEP(time, t0, y0, t1, y1)函数。其中，t0、t1为时间值，y0、y1为速度值。机器人模型采用单侧前轮独立驱动，对其中一轮的转速施加约束，约束函数为：STEP(time, 0, 0, 2, 0)+STEP(time, 2, 0, 4, -30d)；另一轮制动，转速约为0。
根据上面所建模型和约束条件，对机器人行走机构模型进行仿真分析，仿真时间为50s，并通过软件内置的PLOT绘图模块，在ADAMS后处理模块ADAMS/Postprocessor中观察仿真过程，绘出了机器人转向机构驱动轮与制动轮在竖直方向上的驱动转矩和角速度随时间变化的曲线，如图11、图12所示。其中，图11为可变履带机器人转向机构驱动轮与制动轮转向运动时，在竖直方向上的驱动转矩曲线。图12为可变履带式机器人转向机构驱动轮与制动轮转向运动时，在竖直方向上的角速度曲线。
 由图11可以看出，实线为机器人转向机构制动轮的驱动转矩，虚线为驱动轮的驱动转矩，它们由于在转向过程中所起的作用不同，产生了不同幅度的变化。开始的一段时间转矩都趋于平稳，由于制动轮静止，其受力基本为地面反作用力，两轮转矩值相差不大。随着转向阻力的增大，制动轮与地面之间接触处的反作用力产生反复变化，制动轮转矩随之产生较大波动。
由图12可以看出，虚线为机器人转向机构驱动轮的角速度，实线为制动轮的角速度，由模型转向机构驱动轮与制动轮角速度的变化可以看出转向过程中两车轮的运动情况，即一侧运动，一侧制动，从而实现了转向。
附图说明
图1所示为机器人行走机构传动示意图，图中1为HH型双筒式车体减震器；2为JSF型直流伺服驱动电机；3为机器人驱动轮；4为680mm履带架；5为直齿圆柱齿轮，齿数Z=72；6为直齿圆柱齿轮，齿数Z=24；7为直齿圆柱齿轮，齿数Z=48；8为机器人导向轮；9为机器人变履带齿轮，齿数Z=42，模数m=3.5；图2所示为井下灾区地形主视图，图2中1为矩形凸台；2为梯形凸台；3为连续台阶；4为圆形凸台；5为沟道；6为斜坡；图3所示为井下灾区地形俯视图；图4为机器人行走机构上凸台过程；图5为机器人行走机构下凸台过程；图6为机器人行走机构上连续台阶过程；图7为机器人行走机构下连续台阶过程；图8为可变履带式机器人行走机构攀越井下虚拟地形时，在竖直方向上的速度曲线；图9为可变履带式机器人行走机构攀越井下虚拟地形时，在竖直方向上的位移曲线。图10所示为本设计井下探测机器人转向机构的传动示意图，图10中1为HH型双筒式车体减震器；2为齿轮齿条传动机构，齿条齿数Z=31，齿轮齿数Z=14；3为JSF型直流伺服驱动电机；4为传动齿轮轴；5为梯形结构横拉杆；6为转向机构驱动轮；7为转向机构制动轮；图11所示为机器人转向机构驱动转矩图；图12所示为机器人转向机构角速度图。
具体实施方式
此次设计井下探测机器人行走机构的参数为：
(1)车体长1200mm，宽1147mm，高772mm；
(2)变履带中驱动轮和导向轮之间的距离是680mm，即履带架长680mm；
(3)主臂杆长695mm；
(4)驱动轮、导向轮、变履带齿轮直径均为154mm；
(5)履带周长为2321mm。
通过设计计算，确定此次设计的机器人行走机构尺寸参数。根据以上尺寸，利用CAD软件建立机器人行走机构传动示意图如图1所示，图1中1为HH型双筒式车体减震器；2为JSF型直流伺服驱动电机；3为机器人驱动轮；4为680mm履带架；5为直齿圆柱齿轮，齿数Z=72；6为直齿圆柱齿轮，齿数Z=24；7为直齿圆柱齿轮，齿数Z=48；8为机器人导向轮；9为机器人变履带齿轮，齿数Z=42，模数m=3.5；10为695mm主臂杆。并绘制井下灾区现场地形的模拟图如图2、图3所示，图2中1为矩形凸台；2为梯形凸台；3为连续台阶；4为圆形凸台；5为沟道；6为斜坡。利用Solidworks软件将机器人行走机构模型与井下灾后地形模型装配起来，然后导入到仿真软件ADAMS中进行虚拟仿真，模拟机器人在起伏不平的地面上运行的情况，得到机器人主车体质心、底盘上的齿轮组、可变履带顶部齿轮组在竖直方向上的速度与位移随时间变化的曲线如图8、图9所示。
由转向机构电机的旋转带动传动机构的齿轮齿条转向轴转向，齿轮齿数11，齿条齿数31，模数均为2.5，压力角20°，螺旋角12°，齿轮变位系数0.65，齿条变位系数0。并通过转向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而促使转向齿条产生相对运动实现转向。同时，转向器结构简单紧凑，轴向尺寸1281mm，尺寸短且零件数目少的优点又能增加助力，从而实现了机器人转向的稳定性和灵敏性，满足强度要求，增加设计的安全性。