李鵬程,郝文靜,閆紅玲

(1.運(yùn)城學(xué)院 機(jī)電工程系,山西 運(yùn)城044000;2.臨汾投資集團(tuán)有限責(zé)任公司 山西 臨汾 041000)

近年來,隨著國(guó)家工業(yè)化的快速發(fā)展,化石燃料的使用量急劇增加,煤礦的開采力度不斷加大[1-3]。由于煤礦開采環(huán)境復(fù)雜,開采過程中會(huì)產(chǎn)生有毒氣體等危險(xiǎn)物質(zhì),嚴(yán)重危害操作人員的身體健康[4]。此外,煤礦、洗煤廠設(shè)備眾多且龐大,使得大多數(shù)工作空間較為狹窄,人工巡檢難以完成、人工巡檢周期較長(zhǎng)這些問題都給巡檢工作帶來不便。為了降低巡檢工作的危險(xiǎn)系數(shù)、提高巡檢的工作效率,設(shè)計(jì)適應(yīng)于狹窄空間的智能巡檢機(jī)器人顯得十分必要[5-7]。

由于礦業(yè)環(huán)境的特殊性,近年來許多學(xué)者對(duì)礦用機(jī)器人進(jìn)行了相應(yīng)的研究。陳騁設(shè)計(jì)了用于礦用消防的滅火機(jī)器人并利用蒙特卡洛算法完成了機(jī)器人的實(shí)時(shí)定位[8]。商德勇等設(shè)計(jì)了煤礦用煤矸石分揀機(jī)器人,提高了智能化分選的水平[9]。學(xué)者肖毅等人研究了煤礦變電站的巡檢機(jī)器人,并對(duì)機(jī)器人的位姿進(jìn)行了自適應(yīng)調(diào)整[10]。學(xué)者賈宇濤設(shè)計(jì)了一種帶式輸送機(jī)智能巡檢機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了帶傳動(dòng)的無人值守,提高了工作效率[11]。

針對(duì)煤礦和洗煤廠的特殊工作環(huán)境,本文設(shè)計(jì)了一種三輪式智能巡檢機(jī)器人。該巡檢機(jī)器人采用輪式驅(qū)動(dòng)、體積較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、功能齊全。機(jī)器人可以順利通過曲率半徑為400 mm,寬度為145 mm的狹窄空間完成巡檢任務(wù)。這對(duì)煤礦和洗煤廠的巡檢智能化有著重要的提升作用。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有一定的工程使用價(jià)值,而且本文對(duì)巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的研究可為礦用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性研究提供一定的理論參考。

1 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)

煤礦、洗煤廠環(huán)境比較惡劣,大多數(shù)地段會(huì)有一定的坡度而且有坡度傾斜角,為了更好地完成巡檢任務(wù)需要機(jī)器人安全平穩(wěn)運(yùn)行。因此所設(shè)計(jì)的機(jī)器人需要有一定的斜坡運(yùn)動(dòng)能力、續(xù)航能力以及良好的功能性。為了滿足狹窄環(huán)境的巡檢工作,機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要滿足表1的技術(shù)要求。

表1 礦用巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)要求

1.2 巡檢機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

礦用巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式主要采用直輪驅(qū)動(dòng),行走裝置有三輪組成,前輪主要起支撐作用,驅(qū)動(dòng)力由后邊兩個(gè)輪提供,每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直輪式礦用巡檢機(jī)器人主要由前置攝像頭檢測(cè)系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)器人主體裝置底板以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-前置攝像頭檢測(cè)系統(tǒng);2-氣體檢測(cè)系統(tǒng);3-控制系統(tǒng);4-機(jī)器人主體裝置底板;5-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖1 狹窄空間巡檢機(jī)器人裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

為了滿足巡檢機(jī)器人在復(fù)雜礦業(yè)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)、方便機(jī)器人的行走,每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪都由各自獨(dú)立的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),控制系統(tǒng)通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,改變輪1和輪2的速度來完成巡檢機(jī)器人的順利轉(zhuǎn)彎。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由于巡檢機(jī)器人既需要在相對(duì)平整的行走環(huán)境行走也需要在凹凸不平的運(yùn)行環(huán)境中行走。可通過更換機(jī)器人的前輪來使得機(jī)器人適應(yīng)不同行走環(huán)境。如下圖所示,牛眼萬向輪僅適用于相對(duì)平整的行走面,為了滿足凹凸不平的環(huán)境可更換帶有萬向架的直輪,直輪的示意圖如圖3所示。此外,該機(jī)器人還能在管道中行走。前輪可以使用連接式六角螺栓螺母。裝置可以根據(jù)運(yùn)行環(huán)境更換前支撐輪。

1-牛眼萬向輪;2-連接式六角螺栓螺母;3-驅(qū)動(dòng)輪裝置。圖2 狹窄空間巡檢機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置示意圖

1.2.2 機(jī)器人巡檢系統(tǒng)

機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)主要由前置攝像頭檢測(cè)裝置、氣體檢測(cè)裝置以及防爆保護(hù)殼體這幾部分組成。前置攝像頭檢測(cè)裝置可用于檢測(cè)巡檢機(jī)器人的巡檢路況以及各類裝置的工作狀況。具體而言就是機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)將反映檢測(cè)機(jī)器人前方礦井狀況、設(shè)備工作狀況的圖片傳至上位機(jī)并可以進(jìn)行儲(chǔ)存。并且此裝置可以根據(jù)實(shí)際使用過程中的需求,利用控制系統(tǒng)控制攝像頭支撐架的舵機(jī),完成攝像頭檢測(cè)裝置的上下升降。車身主體上安裝有有毒氣體檢測(cè)裝置,檢測(cè)裝置主要是由各類傳感器組成。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要安裝不同類型的傳感器,比如利用傳感器進(jìn)行礦井巷道內(nèi)的溫度、濕度以及有毒氣體濃度等指標(biāo)的檢測(cè)等。攝像頭檢測(cè)裝置下部安裝有報(bào)警警示燈和蜂鳴報(bào)警器。無論是前部攝像頭檢測(cè)裝置還是氣體檢測(cè)裝置都和報(bào)警裝置聯(lián)合使用,只要檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到異常情況,報(bào)警裝置就會(huì)起到作用。由于礦井的惡劣環(huán)境對(duì)巡檢機(jī)器人加裝了防爆殼體來,實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的保護(hù)。巡檢機(jī)器人的巡檢系統(tǒng)如圖4所示。

1-前置攝像頭檢測(cè)裝置;2-報(bào)警指示燈裝置;3-蜂鳴報(bào)警器;4-攝像頭支撐架;5-調(diào)節(jié)調(diào)角舵機(jī);6-氣體檢測(cè)裝置;7-防爆殼體。圖4 機(jī)器人巡檢系統(tǒng)示意圖

1.3 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人主要滿足狹窄空間的巡檢任務(wù),為了提升機(jī)器人的自動(dòng)化水平,就對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)有了較高的要求。因此機(jī)器人巡檢系統(tǒng)由巡檢機(jī)器人、數(shù)據(jù)傳輸裝置以及上位機(jī)人機(jī)交互平臺(tái)組成。主要是各類傳感器與主控制模塊來進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。裝置的控制方案如圖5所示。機(jī)器人的巡檢流程圖如圖6所示。

圖5 巡檢機(jī)器人工作方案

圖6 巡檢機(jī)器人巡檢流程圖

2 巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析

為使機(jī)器人在巡檢過程中順利通過狹窄空間,對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究至關(guān)重要[12]。本文對(duì)機(jī)器人彎曲環(huán)境的通過性進(jìn)行分析,檢測(cè)一定曲率半徑彎曲環(huán)境中機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎特性。

2.1 機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎分析

將機(jī)器人視為理想的剛性原件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,如圖7所示選取一定的曲率半徑,看裝置是否與環(huán)境形成干涉,產(chǎn)生卡堵現(xiàn)象。圖中令O為坐標(biāo)系的原點(diǎn),r表示彎曲環(huán)境中心到原點(diǎn)的距離。b為機(jī)器人的寬度,t為機(jī)器人的長(zhǎng)度,D為彎曲環(huán)境兩障礙物之間的距離。OP表示原點(diǎn)到遠(yuǎn)離原點(diǎn)的機(jī)器人遠(yuǎn)端的距離,OP與彎曲環(huán)境相交于點(diǎn)y。

圖7 巡檢機(jī)器人轉(zhuǎn)彎通過性示意圖

如果巡檢機(jī)器人順利轉(zhuǎn)過彎曲環(huán)境應(yīng)該滿足以下條件:

(1)

即應(yīng)該滿足下式數(shù)學(xué)關(guān)系:

(2)

其中,r=400 mm,D=160 mm,t=240 mm,將這些數(shù)據(jù)帶入式(2)中可得機(jī)器人的寬度應(yīng)該小于144.8 mm才能順利通過障礙寬度為160 mm的彎曲路況。

在轉(zhuǎn)彎的過程中,驅(qū)動(dòng)輪H1靠近曲率中心(輪速為v1),驅(qū)動(dòng)輪H2靠近曲率中心(輪速為v2)設(shè)輪子到所走彎曲路線中心距離為Q(假設(shè)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎軌跡為以曲率中心為圓心得圓弧)。轉(zhuǎn)彎過程中兩輪速度之間的關(guān)系滿足:

(3)

2.2 轉(zhuǎn)彎過程中考慮滑移時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析

機(jī)器人在進(jìn)行轉(zhuǎn)彎時(shí)利用差速原理控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪具有不同的速度來達(dá)到轉(zhuǎn)彎的效果。但是在機(jī)器人運(yùn)行過程中輪子和接觸面之間的滑移不可避免,因此需要考慮滑移時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況。建立相應(yīng)的模型如圖8所示。在圖中vt為沿著行走方向的滑移,vs為垂直行走方向的滑移,ω和ω1分別為沒有滑移和有滑移的角速度,θ為轉(zhuǎn)彎過程中的運(yùn)動(dòng)角度。v則為理想狀態(tài)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)質(zhì)心速度。

圖8 考慮滑移時(shí)的轉(zhuǎn)彎模型圖

存在滑移時(shí)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為:

(4)

經(jīng)過分析轉(zhuǎn)彎滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為:

(5)

3 巡檢機(jī)器人的仿真分析研究

ADAMS是較為常用的動(dòng)態(tài)仿真軟件[13]。本文將所設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行相應(yīng)的模擬分析。在進(jìn)行分析時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化并且對(duì)無關(guān)的零部件作布爾求解,設(shè)置一定的仿真時(shí)間,模擬設(shè)置曲率半徑為400 mm,障礙物之間距離為160 mm的彎道環(huán)境。經(jīng)過仿真可以得出下文敘述中的仿真圖。

經(jīng)過分析可知轉(zhuǎn)彎過程中的巡檢機(jī)器人質(zhì)心會(huì)發(fā)生一定程度的位移變化,質(zhì)心變化的仿真圖如圖9所示。

圖9 機(jī)器人質(zhì)心在X、Y軸方向的位移變化曲線

質(zhì)心在X、Y兩方向產(chǎn)生一定的位移變化是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)過程中的差速轉(zhuǎn)彎,運(yùn)動(dòng)慣性造成機(jī)器人產(chǎn)生一定的滑移。但是由于兩驅(qū)動(dòng)輪輪速之間的比例關(guān)系不會(huì)造成質(zhì)心產(chǎn)生較大的位移,轉(zhuǎn)彎過程中機(jī)器人的質(zhì)心輕微的位移變化不會(huì)影響轉(zhuǎn)彎過程。經(jīng)分析,機(jī)器人可以順利轉(zhuǎn)彎。

靠近彎道曲率中心的輪速v1和遠(yuǎn)離彎道的輪速v2在轉(zhuǎn)彎過程中隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示。兩輪的速度變化趨勢(shì)是不同的,這是為了順利通過彎道,對(duì)兩輪進(jìn)行了差速控制。遠(yuǎn)端輪子輪速v2呈現(xiàn)先增大后慢慢減小,而近端輪子輪速由直道進(jìn)入彎道時(shí)開始持續(xù)減少直到通過彎道。在轉(zhuǎn)彎過程中遠(yuǎn)端輪子速度在某一瞬間達(dá)到最大值,最大值出現(xiàn)在機(jī)器人到達(dá)彎道的極限位置處。

圖10 巡檢機(jī)器人轉(zhuǎn)彎過程中兩驅(qū)動(dòng)輪的速度變化曲線圖

4 相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建輪式巡檢機(jī)器人模型,并使用搭建的模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)彎測(cè)試,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自行擺放相應(yīng)的障礙物,組成可供實(shí)驗(yàn)的模擬彎道。搭建的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。

圖11 狹窄空間巡檢機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)圖

對(duì)轉(zhuǎn)彎過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn),記錄轉(zhuǎn)彎時(shí)間,得到實(shí)驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)如表2所示。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)總是小于仿真模擬得出的數(shù)據(jù),這是由樣機(jī)轉(zhuǎn)彎過程中輪子與地面之間的摩擦以及機(jī)器人樣機(jī)搭建中的誤差等實(shí)際因素造成的。

表2 巡檢機(jī)器人轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)、仿真數(shù)據(jù)表

5. 結(jié)論

(1)文中設(shè)計(jì)的狹窄空間輪式巡檢機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便攜帶、續(xù)航能力較好以及體積較小的優(yōu)點(diǎn)。兩輪差速驅(qū)動(dòng),保證機(jī)器人順利過彎,可以完成狹窄空間的巡檢任務(wù)。

(2)對(duì)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析,并且得出彎道曲率半徑與機(jī)器人尺寸之間的關(guān)系,保證了巡檢機(jī)器人彎道通過性。經(jīng)過仿真分析可知機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎過程中質(zhì)心會(huì)有輕微的變化,但是不影響機(jī)器人的運(yùn)行。為更好地研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)在機(jī)器人轉(zhuǎn)彎過程中應(yīng)適當(dāng)考慮機(jī)器人運(yùn)行過程中產(chǎn)生的滑移現(xiàn)象。在轉(zhuǎn)彎過程中兩驅(qū)動(dòng)輪輪速需保證一定的比例關(guān)系才能順利通過彎道。轉(zhuǎn)彎時(shí)近端輪速逐漸較小,遠(yuǎn)端輪速先增大后減小。通過對(duì)輪速的有效控制達(dá)到順利過彎的目的。

(3)搭建巡檢機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī),利用樣機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)值與仿真數(shù)值有一定的誤差但是誤差較小,實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)比驗(yàn)證了巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)的合理性。本文巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究可為狹窄空間作業(yè)機(jī)器人的研究提供一定的參考。