仿土撥鼠礦難救災(zāi)機(jī)器人控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、煤礦安全生產(chǎn)事故頻發(fā)不僅造成了生命財(cái)產(chǎn)的損失，還影響國(guó)家聲譽(yù)和社會(huì)安定。礦難一旦發(fā)生，如何展開(kāi)事故救援以最大限度地挽回人民的生命和財(cái)產(chǎn)損失，一直是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。災(zāi)害礦井環(huán)境復(fù)雜、空間受限、而且充滿(mǎn)了爆炸性氣體，這些特點(diǎn)不僅使救援工作難以展開(kāi)，而且還會(huì)給參與救援的人員帶來(lái)傷害，在救援過(guò)程中由于救援不力造成更大傷亡或救援人員傷亡的事件時(shí)有發(fā)生。隨著機(jī)器人技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展，讓機(jī)器人代替人進(jìn)入災(zāi)害礦井探測(cè)事故現(xiàn)場(chǎng)的巷道結(jié)構(gòu)、溫度、

2、瓦斯和一氧化碳等有毒氣體的濃度等環(huán)境參數(shù)，并將信息傳送到指揮機(jī)構(gòu)，對(duì)于救援工作的展開(kāi)具有重要的參考意義，人員營(yíng)救機(jī)器人還能夠攜帶藥品、食物、水、生命探測(cè)儀等救援物資直接參與人員營(yíng)救。
　　 當(dāng)前的礦難機(jī)器人主要以輪式和履帶式機(jī)器人為主，這類(lèi)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力有限，體積較大，無(wú)法進(jìn)入狹小空間，特別是遇到堵塞區(qū)域時(shí)無(wú)法繼續(xù)前行，影響救援工作的進(jìn)行。本文設(shè)計(jì)了仿土撥鼠礦難救災(zāi)機(jī)器人，該機(jī)器人采用六足行走，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，同時(shí)還具備蠕

3、動(dòng)和掘進(jìn)功能，能夠在狹小空間中穿行，在遇到堵塞區(qū)域時(shí)能夠進(jìn)行掘進(jìn)，減少了環(huán)境探測(cè)的盲區(qū)。基于仿土撥鼠礦難機(jī)器人平臺(tái)，本文對(duì)其控制系統(tǒng)若干關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，具體包括以下內(nèi)容：
　　 對(duì)機(jī)器人六足運(yùn)動(dòng)、頸部運(yùn)動(dòng)以及蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，為運(yùn)動(dòng)控控制器的設(shè)計(jì)奠定模型基礎(chǔ)。
　　 在對(duì)機(jī)器人六足行走步態(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于BSLIP（雙足彈簧—質(zhì)量倒立擺）模

4、型和足底壓力反饋的機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)控制方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)控制器，該控制方法控制精度高，工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。
　　 機(jī)器人在狹小空間內(nèi)依靠撐緊機(jī)構(gòu)和腰部機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)，蠕動(dòng)過(guò)程中撐緊力的大小對(duì)機(jī)器人蠕動(dòng)效率具有決定性的影響，撐緊力過(guò)小容易產(chǎn)生“打滑”，過(guò)大則能量損失大。本文提出了一種基于最小能量損失的機(jī)器人蠕動(dòng)控制方法，該方法根據(jù)蠕動(dòng)軌跡來(lái)計(jì)算最優(yōu)撐緊力的大小，進(jìn)而求解驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，最大程度地減小能量損失。
　　

5、 對(duì)機(jī)器人的掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了分析，給出了機(jī)器人實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)流程，并對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中頸部運(yùn)動(dòng)控制方法進(jìn)行了研究，提出了一種基于動(dòng)力學(xué)前饋補(bǔ)償?shù)念i部運(yùn)動(dòng)控制方法，該控制方法能夠克服負(fù)載力矩對(duì)控制精度的影響，提高了不確定環(huán)境下掘進(jìn)控制的精度。
　　 根據(jù)爆炸性氣體環(huán)境對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件的要求，研究了仿土撥鼠礦難救災(zāi)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建和控制系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)。研制了具有六足行進(jìn)功能的礦難救災(zāi)機(jī)器人樣機(jī)，并開(kāi)發(fā)了基于分層遞階式體