煤礦井下探測(cè)與搜救機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、煤礦井下探測(cè)與搜救機(jī)器人能夠在事故發(fā)生后輔助或替代救援人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)進(jìn)行事故處理,降低災(zāi)害損失,減小救援的危險(xiǎn)性。本文基于煤礦事故發(fā)生后井下探測(cè)與搜救機(jī)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(guó)內(nèi)外煤礦救災(zāi)機(jī)器人、危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀,對(duì)煤礦井下探測(cè)與搜救機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究,采用機(jī)構(gòu)創(chuàng)新與推衍、機(jī)構(gòu)學(xué)分析、理論研究與建模、虛擬樣機(jī)建模仿真和物理樣機(jī)測(cè)試等研究方法,分析煤礦救災(zāi)機(jī)器人機(jī)械系

2、統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)、操作機(jī)械臂和驅(qū)傳動(dòng)裝置等功能系統(tǒng)與部件。工作主要從以下幾個(gè)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(jī)器人的使用策略及作用,分析了煤礦救災(zāi)機(jī)器人所需要面對(duì)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(jī)器人ADAMS虛擬通過(guò)性測(cè)試場(chǎng)地。針對(duì)障礙特征要素,歸納出煤礦救災(zāi)機(jī)器人的性能參數(shù)表,以供設(shè)計(jì)煤礦救災(zāi)機(jī)器人時(shí)針對(duì)具體環(huán)境而完善后作為設(shè)計(jì)任務(wù)書用。

3、
　　其次,在對(duì)煤礦救災(zāi)機(jī)器人工作對(duì)象分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)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(dòng)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(yùn)行時(shí)車輪、地面與懸架組成的機(jī)構(gòu)學(xué)模型,并從自由度計(jì)算的角度分析懸架的地形適應(yīng)性。運(yùn)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(jìn)行了單輪、雙輪提升車體平穩(wěn)性仿真試驗(yàn),測(cè)出前、中、后輪高度獨(dú)立和共同變化時(shí)

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(guò)性。還對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)凸起地形時(shí)各個(gè)車輪的載荷分配特性進(jìn)行了仿真分析。綜合仿真方面的研究工作,對(duì)移動(dòng)機(jī)器人性能的評(píng)價(jià)和分析方法作了歸納和總結(jié)。
　　再次,基于移動(dòng)機(jī)構(gòu)平面運(yùn)動(dòng)學(xué)模型求解的基本假設(shè),建立了單側(cè)導(dǎo)桿聯(lián)動(dòng)懸架的平面運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。分析了在固定曲線上作純滾動(dòng)剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法,得出接觸點(diǎn)弧坐標(biāo)變化率的表達(dá)式。結(jié)合車輪在地形上純滾動(dòng)的情況,用積分定義遞推求解算法準(zhǔn)確地求

5、出車輪與地面接觸點(diǎn)的坐標(biāo)與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。用法向輪徑偏移法推導(dǎo)了輪心坐標(biāo)與接觸點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系,使輪心軌跡方程得以確定,在機(jī)構(gòu)求解中作為一個(gè)約束方程出現(xiàn)。將導(dǎo)桿聯(lián)動(dòng)式懸架分成后輪腿和其余兩部分求解,列出機(jī)構(gòu)約束方程進(jìn)行計(jì)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(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行求解,完成參數(shù)的后處理,并用ADAMS仿真結(jié)果驗(yàn)證理論模型的正確性與計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。還推導(dǎo)了三輪心組成定圓曲率評(píng)價(jià)懸架地形適應(yīng)性的指標(biāo)方法,對(duì)懸

6、架的地形適應(yīng)性作了進(jìn)一步分析。
　　然后,根據(jù)被動(dòng)搖臂懸架連接車體與左右兩側(cè)懸架的支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求,提出一種對(duì)稱的空間連桿式均角平衡機(jī)構(gòu),從自由度計(jì)算的角度分析機(jī)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(dá)式。然后運(yùn)用旋轉(zhuǎn)變換的方法建立均角平衡機(jī)構(gòu)車體與左右搖臂的俯仰角位移方程。運(yùn)用Pro/Mec ha nis m仿真的方法驗(yàn)證了理論模型的正確性,并運(yùn)用驗(yàn)證后的模型分析了部分參數(shù)對(duì)該均角平衡機(jī)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(jì)。
　　最后,根據(jù)煤礦井下探測(cè)與搜救機(jī)器人到達(dá)任務(wù)地點(diǎn)后執(zhí)行任務(wù)的操作要求,提出一種前級(jí)能抱舉較重物體,而后級(jí)又能精確執(zhí)行操作的機(jī)械臂結(jié)構(gòu),提取了機(jī)械臂的主要參數(shù)并對(duì)前級(jí)抱舉機(jī)構(gòu)抱起80kg物體過(guò)程中所需的驅(qū)動(dòng)扭矩進(jìn)行了計(jì)算。然后對(duì)救災(zāi)機(jī)器人機(jī)動(dòng)平臺(tái)驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹,并展示了機(jī)動(dòng)平臺(tái)的物理樣機(jī)測(cè)試情況,使用樣機(jī)進(jìn)行了爬坡、越障性能試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果表明:基于該懸架的移動(dòng)機(jī)器人地形適應(yīng)性強(qiáng),各輪載荷分配均勻