李 洋,李 淵,武澤偉

(山西大同大學(xué),山西 大同 037000)

煤礦發(fā)生瓦斯爆炸等災(zāi)害事故之后,會造成井下機械設(shè)備以及運輸?shù)牡V車發(fā)生坍塌、翻轉(zhuǎn),還會使巷道發(fā)生冒頂,堵塞巷道,如地面散落的巖石、煤塊的堆積和飄散的粉塵,這種復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境要求巡檢機器人擁有較強的地形適應(yīng)能力和越障性能。巡檢機器人能否完成巡檢和環(huán)境探測任務(wù)的關(guān)鍵在于機器人的行走機構(gòu)設(shè)計,它直接影響機器人在井下的救援工作[1-2]。

因此,針對煤礦井下非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境和對巡檢工作的需求,結(jié)合行走機構(gòu)越障的基本性能,基于平行四邊形機構(gòu),研究設(shè)計一種井下巡檢機器人可變性行走機構(gòu),代替工作人員進行井下的救援和勘探工作,使其在越障方面具有較高的性能。

1 可變形行走機構(gòu)整體設(shè)計

1.1 常見機器人行走機構(gòu)

常見的機器人行走機構(gòu)形式主要有輪式、履帶式、仿生式以及復(fù)合式等,每種形式的機器人都各有其優(yōu)缺點。

1.1.1 輪式行走機構(gòu)

輪式行走機構(gòu)是工業(yè)機器人最常用的行走機構(gòu)之一,常見的輪式行走機構(gòu)有二輪、四輪和六輪機構(gòu)。由于這種機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,與地面的接觸面積小,轉(zhuǎn)向靈活,在較為平坦的路面具有一定的優(yōu)勢。但輪式行走機構(gòu)對非結(jié)構(gòu)化地形的適應(yīng)能力較弱,尤其是在翻越障礙物時,翻越的高度受限于驅(qū)動輪中心與地面的距離,在障礙物較多的環(huán)境當(dāng)中,行動能力嚴(yán)重受限[3]。

1.1.2 履帶式行走機構(gòu)

履帶式行走機構(gòu)與地面的接觸面積較大,對地面壓力較小,可以提供較大的抓地力,使其在泥濘濕滑的路面也能保持正常行走,具有較好的越野能力。常見的有雙履帶、四履帶、搖臂式履帶等機構(gòu)。缺點是履帶式行走機構(gòu)相對較為復(fù)雜,存在較高的能源消耗和維護成本;且該類行走機構(gòu)地盤較低,容易出現(xiàn)卡底以及傾覆現(xiàn)象[4]。

1.1.3 仿生式行走機構(gòu)

仿生式行走機構(gòu)是模仿動物的運動原理、步態(tài)、骨骼結(jié)構(gòu),以實現(xiàn)更高效的機器人行走能力的行走機構(gòu)。常見的仿生式行走機構(gòu)有足式、鳥類、魚類、蛇類、蜘蛛類機構(gòu),優(yōu)點在于它們在面對復(fù)雜的環(huán)境都有極強的適應(yīng)能力,使機器人的行走更加自然、高效。這種機構(gòu)在探索、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、救援等領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

1.1.4 其它行走機構(gòu)

除了上述常見的行走機構(gòu)外,還有各種復(fù)合式行走機構(gòu)。通過將不同類型的機構(gòu)組合在一起,實現(xiàn)更靈活、多變的行走方式,使得機器人能夠在不同環(huán)境中具備更廣泛的行走能力,以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境,完成多樣化的任務(wù)。但此類機構(gòu)存在運動協(xié)調(diào)難度較大、成本較高等問題[5-6]。

通過對上述各類行走機構(gòu)的了解,綜合考慮各類機器人行走機構(gòu)的優(yōu)缺點和對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力,使其在越障方面更高效,設(shè)計了一種四連桿可變形機器人行走機構(gòu),用來進行井下復(fù)雜地形的日常巡檢工作。

1.2 行走機構(gòu)整體機構(gòu)設(shè)計

該煤礦巡檢機器人行走機構(gòu)的三維模型如圖1所示。該行走機構(gòu)底盤為輪式機構(gòu),分別安裝一個電機,控制輪子的運動;左右兩側(cè)是對稱的平行四邊形四連桿機構(gòu),連桿之間通過軸連接,前軸裝有一個蝸輪蝸桿減速機盒,通過控制連桿機構(gòu)的運動實現(xiàn)兩種模式的切換。

圖1 行走機構(gòu)三維模型

機器人各構(gòu)件參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)件參數(shù)

2 行走機構(gòu)運動特性分析

2.1 平行四邊形連桿機構(gòu)位置的不確定性

平行四邊形連桿機構(gòu)在運動過程中的位置存在不確定性,即兩曲柄是否會與機架共線、運動過程中曲柄與連桿、上機架是否會發(fā)生干涉、上連桿到哪里停止運動。

如圖1所示,連桿機構(gòu)的安裝位置為:上連桿平行安裝在機架的正上方,兩個曲柄平行安裝在機架與上連桿的后方,上機架相對曲柄的位置開槽,這樣就避免了干涉問題。

如圖2所示,當(dāng)上連桿向后運動到與機架重合時即停止運動,為上連桿與機架重合時的極限位置,此時不會與機架共線,傳動角始終大于0°,即不會發(fā)生自鎖和死點現(xiàn)象。

圖2 重合極限位置

由圖1可知,平行四邊形連桿機構(gòu)的主動件為前曲柄,共包含4個構(gòu)件,其中1個構(gòu)件為固定機架,剩余3個活動構(gòu)件,共包含4個低副,0個高副,由公式(1)可知:

F=3n-2PL-PH=3×3-2×0-1=1

(1)

式中:F為自由度;n為構(gòu)件,PL為低副,PH為高副。

自由度F為1,與主動件數(shù)量相等。

綜上,可知機構(gòu)有確定的運動。

2.2 越障性能分析

2.2.1 通過障礙物路段

當(dāng)中途有煤塊等障礙物時,平行四邊形連桿機構(gòu)在電機的驅(qū)動下,左右曲柄帶動整體向前擺動,使曲柄與連桿之間垂直成矩形,可直接通過障礙物,無需轉(zhuǎn)彎、攀爬,節(jié)省了時間,如圖3所示。

圖3 通過障礙物示意

根據(jù)車輪的半徑以及曲柄的長度,計算出該行走機構(gòu)能通過障礙物的最高距離為181 mm.

建立如圖4所示,以行走機構(gòu)前輪軸心O為原點的坐標(biāo)系XOY,對行走機構(gòu)整體進行受力分析,可得各構(gòu)件所受的力對O點的力矩平衡方程,如下式:

圖4 受力分析圖

Ff1+Ff2-G1-G2-G3-G4-G5-G6=0

(2)

(3)

式中:G為各構(gòu)件的重力,N;Ff1和Ff2為地面對構(gòu)件整體的臨界靜摩擦力,N;k為電機盒到O的距離,mm;L為連桿重心到O的距離,mm.

2.2.2 通過狹縫路段

路況較為平坦時,平行四邊形連桿機構(gòu)在電機的驅(qū)動下,左右曲柄帶動整體向后擺動,在上連桿與機架連桿重合時停止運動,機身整體高度大幅降低,可快速通過狹窄的縫隙,如圖5所示。

圖5 通過狹縫示意

圖6為該行走機構(gòu)通過狹縫時的機構(gòu)簡圖。

圖6 通過狹縫結(jié)構(gòu)簡圖

能通過的最小狹縫高度應(yīng)為:

b+c+d=126 mm

(4)

式中:b為3/2長連桿高度,mm;c為電機盒在長連桿之上的高度,mm;d為車輪半徑,mm.

3 機器人傾覆穩(wěn)定性分析

機器人的傾覆穩(wěn)定性分析是為了確保其是否可以在不同環(huán)境和任務(wù)中保持穩(wěn)定和平衡的重要依據(jù)[7]。通過評估機器人在不同地形上的穩(wěn)定性,可以確保其在各種實際應(yīng)用場景中不會傾覆或失去平衡。

在此行走機構(gòu)中,為了適應(yīng)井下復(fù)雜路況,隨著平行四邊形連桿機構(gòu)中主動曲柄擺角的變化,機器人行走機構(gòu)的位姿會隨之發(fā)生變化,機器人整體的質(zhì)心分布不斷變化,可能會存在質(zhì)心偏離中心平面的情況,從而產(chǎn)生機器人傾覆的情況。因此,需要對機器人的質(zhì)心進行求解。

如圖7所示,為任意擺角時的機構(gòu)簡圖,建立以機器人前輪軸心O0為坐標(biāo)原點的直角坐標(biāo)系xO0y.

由圖7可得機器人質(zhì)心O的坐標(biāo):

(5)

式中:O為各構(gòu)件質(zhì)心;b和k該機構(gòu)的曲柄和連桿軸心之間的長度,mm;c為電機盒質(zhì)心O5到前輪軸心O0的距離,mm;d為機體質(zhì)心O1到前輪軸心O0的距離,mm;α、β、γ分別為機體質(zhì)心O1、電機盒質(zhì)心O5、曲柄質(zhì)心O2與x軸的夾角,°.

將(5)轉(zhuǎn)化后,可得公式(6)。由公式(6)可知,當(dāng)曲柄向后擺動時,機器人質(zhì)心O的位置是在以公式(7)為圓心,以公式(8)為半徑的圓上,同時隨曲柄擺角的變化而變化。但由于曲柄只在0°～90°之間變化,所以機器人的質(zhì)心只在部分第一象限內(nèi)的圓弧上變化。

(6)

(7)

(8)

4 結(jié) 語

1) 通過對機器人行走機構(gòu)類型和特點進行對比分析,結(jié)合井下復(fù)雜環(huán)境設(shè)計了一種基于平行四邊形機構(gòu)的井下巡檢機器人行走機構(gòu)。

2) 用Solidworks軟件建立機器人三維模型,并在障礙物和狹縫兩種路況下,對機器人進行仿真模擬和分析,得出機器人通過兩種路況的極限高度分別為181 mm和126 mm,結(jié)果表明機器人具有更好的越障性能。

3) 通過對機器人的質(zhì)心位置進行計算分析,結(jié)果表明機器人的在變換模式的過程中不會發(fā)生傾覆情況,具有較好的穩(wěn)定性。