煤礦井下探測與搜救機器人機械系統(tǒng)設(shè)計與研究.pdf

1、煤礦井下探測與搜救機器人能夠在事故發(fā)生后輔助或替代救援人員進入災(zāi)區(qū)進行事故處理,降低災(zāi)害損失,減小救援的危險性。本文基于煤礦事故發(fā)生后井下探測與搜救機器人使用策略和作用的分析,考慮煤礦事故發(fā)生后井下的地形環(huán)境和氣體環(huán)境,結(jié)合國內(nèi)外煤礦救災(zāi)機器人、危險環(huán)境作業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀,對煤礦井下探測與搜救機器人機械系統(tǒng)進行設(shè)計與研究,采用機構(gòu)創(chuàng)新與推衍、機構(gòu)學分析、理論研究與建模、虛擬樣機建模仿真和物理樣機測試等研究方法,分析煤礦救災(zāi)機器人機械系

2、統(tǒng)的移動機構(gòu)、支撐機構(gòu)、操作機械臂和驅(qū)傳動裝置等功能系統(tǒng)與部件。工作主要從以下幾個方面展開:
　　首先,結(jié)合陳家山煤礦瓦斯爆炸事故及其救援情況分析了救災(zāi)機器人的使用策略及作用,分析了煤礦救災(zāi)機器人所需要面對的井下地形環(huán)境與巷道中的氣體環(huán)境,提取井下地形幾何要素和特征參數(shù),建立煤礦救災(zāi)機器人ADAMS虛擬通過性測試場地。針對障礙特征要素,歸納出煤礦救災(zāi)機器人的性能參數(shù)表,以供設(shè)計煤礦救災(zāi)機器人時針對具體環(huán)境而完善后作為設(shè)計任務(wù)書用。

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　　其次,在對煤礦救災(zāi)機器人工作對象分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)移動機器人運行的地形條件,綜合考慮爬越障礙、地形適應(yīng)、主體平穩(wěn)等因素,提出新型6輪導(dǎo)桿聯(lián)動式懸架。論述了懸架的組成和工作原理,建立主體在路面上運行時車輪、地面與懸架組成的機構(gòu)學模型,并從自由度計算的角度分析懸架的地形適應(yīng)性。運用Pro/E軟件建立懸架參數(shù)化模型,并導(dǎo)入Pro/Mec ha nis m中進行了單輪、雙輪提升車體平穩(wěn)性仿真試驗,測出前、中、后輪高度獨立和共同變化時

4、車體的歐拉角;然后在ADAMS中仿真了懸架在綜合地型下的通過性。還對移動機構(gòu)通過凸起地形時各個車輪的載荷分配特性進行了仿真分析。綜合仿真方面的研究工作,對移動機器人性能的評價和分析方法作了歸納和總結(jié)。
　　再次,基于移動機構(gòu)平面運動學模型求解的基本假設(shè),建立了單側(cè)導(dǎo)桿聯(lián)動懸架的平面運動學模型。分析了在固定曲線上作純滾動剛體的運動學求解方法,得出接觸點弧坐標變化率的表達式。結(jié)合車輪在地形上純滾動的情況,用積分定義遞推求解算法準確地求

5、出車輪與地面接觸點的坐標與時間的函數(shù)關(guān)系。用法向輪徑偏移法推導(dǎo)了輪心坐標與接觸點坐標的關(guān)系,使輪心軌跡方程得以確定,在機構(gòu)求解中作為一個約束方程出現(xiàn)。將導(dǎo)桿聯(lián)動式懸架分成后輪腿和其余兩部分求解,列出機構(gòu)約束方程進行計算,用MATLAB非線性方程組求解算法在積分定義遞推求解循環(huán)中對各個運動量進行求解,完成參數(shù)的后處理,并用ADAMS仿真結(jié)果驗證理論模型的正確性與計算結(jié)果的準確性。還推導(dǎo)了三輪心組成定圓曲率評價懸架地形適應(yīng)性的指標方法,對懸

6、架的地形適應(yīng)性作了進一步分析。
　　然后,根據(jù)被動搖臂懸架連接車體與左右兩側(cè)懸架的支撐機構(gòu)的設(shè)計要求,提出一種對稱的空間連桿式均角平衡機構(gòu),從自由度計算的角度分析機構(gòu)的輸入輸出關(guān)系,給出車體位姿與搖臂位姿的關(guān)系表達式。然后運用旋轉(zhuǎn)變換的方法建立均角平衡機構(gòu)車體與左右搖臂的俯仰角位移方程。運用Pro/Mec ha nis m仿真的方法驗證了理論模型的正確性,并運用驗證后的模型分析了部分參數(shù)對該均角平衡機構(gòu)線性均化特性的影響和部分關(guān)節(jié)

7、擺角范圍以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計。
　　最后,根據(jù)煤礦井下探測與搜救機器人到達任務(wù)地點后執(zhí)行任務(wù)的操作要求,提出一種前級能抱舉較重物體,而后級又能精確執(zhí)行操作的機械臂結(jié)構(gòu),提取了機械臂的主要參數(shù)并對前級抱舉機構(gòu)抱起80kg物體過程中所需的驅(qū)動扭矩進行了計算。然后對救災(zāi)機器人機動平臺驅(qū)傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行介紹,并展示了機動平臺的物理樣機測試情況,使用樣機進行了爬坡、越障性能試驗,測試結(jié)果表明:基于該懸架的移動機器人地形適應(yīng)性強,各輪載荷分配均勻