趙建偉，張云龍，商德勇，劉 娜，范 迅

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

目前煤炭行業(yè)進入嚴冬狀態(tài)、煤炭價格整體跳水、煤炭儲量嚴重過剩等問題嚴重影響著各個地方的煤炭企業(yè)。對于薄煤層的自動化開采，因為煤層的開采厚度低，與中厚及厚煤層相比，薄煤層的機械化長壁開采工作面存在一些缺點。薄煤層采高低、開采環(huán)境條件差、采煤設(shè)備移動困難，尤其是在綜采工作面，當(dāng)其最小開采高度降到一點二米以下時，工作人員進出工作面和在工作面進行勞動是非常困難的，同時，薄煤層采掘比大，開采工作面工人接替也很緊張。目前隨著長壁機械化開采技術(shù)的發(fā)展，采煤工作面的推進速度加快。但由于薄煤層開采工作面的回采巷道是半煤巖巷道，在巷道的掘進方法上面卻沒有多大的變化，依然是應(yīng)用打眼放炮、人工裝煤，這樣導(dǎo)致掘進速度變慢。應(yīng)用綜采設(shè)備開采薄煤層，設(shè)備投資大，開采量和開采效率不高，只有中厚煤層和厚煤層綜采工作面的一半左右，其經(jīng)濟效益遠遠不如開采厚及中厚煤層。

在薄煤層開采中，由于薄煤層開采厚度小，其開采設(shè)備在安裝、操作、維護等方面比中厚及厚煤層難度較大。由于薄煤層空間的限制，工人在進出通道和在工作面工作都受到限制，在正常傾角下薄煤層的開采垂直高度遠遠低于正常人的身高，加上開采設(shè)備占用的高度，工人在進入工作面活動十分困難。這樣工作效率低且長時間下去對工人身體造成危害。因此需要一種安全性高且可靠性強的移動式機器人，在工人無法工作的環(huán)境中代替工人完成對設(shè)備的監(jiān)測與維護工作[1]。為解決上述等問題，本文提出一種用于薄煤層工作面設(shè)備安全監(jiān)測、巡檢的移動機器人。

1 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

薄煤層礦井的井下工作環(huán)境是極其復(fù)雜的地形，一般包括斜坡，凸臺，壕溝，等地形或是可以由上述三種地形綜合構(gòu)成。煤層巡檢機器人主要是在煤礦開采工作面進行巡檢工作，需要巡檢機器人通過遙控或是自主的完成避障和跨溝等動作。目前，輪式機器人，履帶式機器人，腿式機器人都是具有復(fù)雜地形適應(yīng)性的移動機器人，這三種移動方式各有其實用性和優(yōu)勢，但也同時存在相應(yīng)的一些缺點。

輪式機器人具有速度快、結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點，適合在平坦的路面行走。但是不適合壕溝、凸臺等地形，越障能力不及履帶機器人；履帶式移動機器人優(yōu)點在于機動性能好、越障能力強，能在陡峭地形、復(fù)雜環(huán)境下有著較高的越障能力和適應(yīng)性，缺點是機械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、機械傳動效率低、與地面摩擦阻力大、機器人整體質(zhì)量大。腿式移動機構(gòu)的移動速度慢，整體質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)彎靈活性低、機動性差，因此該類機器人的負載低，要想實現(xiàn)穩(wěn)定高速的行走，還有諸多難題需要解決[2]。

綜上所述，根據(jù)薄煤層開采工作環(huán)境，選擇履帶式移動機器人作為設(shè)計首選。目前國內(nèi)外對履帶式移動機器人研究的有很多，技術(shù)成熟的比如美國Foster-Miller公司研制的Talon 機器人[3-8]，中國礦業(yè)大學(xué)研制的CUMT礦用救災(zāi)機器人[8]，日本研究的HELIOS 系列履帶式搜索機器人[9]，美國i Robot 研究的擺臂式Pack Bot 機器人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所研制的煤礦搜救機器人[10]等。通過對不同的履帶式移動機器人的分析研究，考慮到薄煤層開采環(huán)境的特殊性，制定機器人的形成參數(shù)如表2 所示。

表1 移動機構(gòu)的優(yōu)缺點Tab.1 The advantages and disadvantages of mobile mechanism

根據(jù)以上設(shè)計要求，本文設(shè)計的六履帶式移動機器人的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。從圖中可以看到機器人主要由箱體、主驅(qū)動組件及擺臂三部分組成。箱體中包括控制系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、動力系統(tǒng)。主驅(qū)動組件包括主驅(qū)動輪、從動輪、主履帶。擺臂包括擺臂驅(qū)動輪、張緊輪、連板、擺臂履帶。

表2 機器人性能參數(shù)Tab.2 The performance parameters of the robot

2 運動學(xué)分析

圖1 機器人總裝圖Fig.1 Robot assembly drawing

機器人由六個履帶構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，左右對稱，可將機器人各關(guān)節(jié)當(dāng)剛體處理。建立機器人姿態(tài)模型坐標(biāo)系 應(yīng)用機器人學(xué)中的D-H 坐標(biāo)變化方法，分別以機器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸為原點建立坐標(biāo)系。

設(shè)機身質(zhì)量為m1、前、后擺臂質(zhì)量為m2；機身質(zhì)心位置為LC1，擺臂質(zhì)心位置為LC2；機身長度L1，前、后擺臂長度為L2；r1，r2分別表示大輪、小輪直徑。設(shè)垂直障礙高度為h，后擺臂與地面接觸點到垂直障礙的距離為c。以機器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的原點為坐標(biāo)系的原點建立坐標(biāo)系。以后擺臂小輪與地面接觸點為原點建立固定坐標(biāo)系x0y0；以機身驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動中心建立機身坐 標(biāo) 系x1y1z1；以 前擺臂轉(zhuǎn)動中心建立前擺臂坐標(biāo)系 x2y2z2；以后擺臂轉(zhuǎn)動中心建立后擺腿坐標(biāo)系x3y3z3。如圖2 所示。

機器人越垂直障礙時ψ=0，φ=0。機器人前擺臂與后擺臂相對機身坐標(biāo)系x1y1z1的變換關(guān)系如表3 所示。機器人各個關(guān)節(jié)齊次變換矩陣T 為：

圖2 機器人越垂直障礙位姿Fig.2 Across vertical obstacle the robot posture

表3 機器人越障坐標(biāo)系變換關(guān)系表Tab.3 Over- obstacle coordinate system transformation

式中c、s 分別代表cos、sin。機器人的質(zhì)心位置：各關(guān)節(jié)質(zhì)心位置坐標(biāo)用1P1，2P2，3P3表示，則：

各關(guān)節(jié)質(zhì)心位置相對坐標(biāo)系x1y1z1的表示為：

整體質(zhì)心：

式中m=m1+2m2為機器人的質(zhì)量，得質(zhì)心1P 和0P：

式中可以看到相對于坐標(biāo)系x0y0的機器人質(zhì)心位置：

帶入機器人設(shè)計參數(shù)得到機器人質(zhì)心位置方程：

通過測定α1，α2，α3就可以確定機器人的質(zhì)心位置。通過Matlab 軟件對方程求解得到機器人越垂直障礙高度Matlab 曲線如圖3 所示。圖中分析得到機器人理論越障最大高度為160mm，此時機器人后擺臂與垂直障礙之間的最小距離為70mm，且此時α3=α1+90°。

圖3 機器人越垂直障礙高度曲線Fig.3 The robot across vertical obstacle high curve

3 ADAMS 運動學(xué)仿真分析

為了提高機器人設(shè)計的效率和可靠性，在機器人的研制設(shè)計中，采用虛擬仿真軟件ADAMS 對六履帶式移動機器人三維實體模型進行運動學(xué)仿真。得到機器人在越垂直障礙時的速度曲線、加速度曲線和機器人的實時位置曲線。仿真時要對機器人三維實體模型進行簡化，但是要保證機器人的材料屬性沒有變化從而保證機器人的仿真能實際反映出機器人在越障時的速度、加速度和位置的變化過程。圖4 是機器人在越垂直障礙時仿真得到的曲線。

圖4 機器人越垂直障礙速度與加速度曲線Fig.4 Across the vertical obstacle velocity and acceleration curve

4 結(jié)論

提出一種具有越障能力強、質(zhì)量輕、體積小，能在狹小的工作空間中實施工作的六履帶式移動機器人。該機器人能夠越過臺階、樓梯等室內(nèi)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化障礙；建立機器人運動學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析機器人質(zhì)心位置和越障高度；通過Adams 軟件運動仿真，分析機器人的越垂直障礙性能，驗證了六履帶式移動機器人的可行性。

[1] 許旺，賈瑞清，江濤，等 薄煤層綜采工作面安全監(jiān)測移動機器人的研究[J]. 礦山機械，2010，20.

[2] 段星光，黃強，李科杰.小型輪履腿復(fù)合式機器人設(shè)計及運動特性分析[J]. 機械工程學(xué).

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