引言

煤礦井通常具有作業(yè)環(huán)境惡劣、危險(xiǎn)系數(shù)高的特點(diǎn),礦井災(zāi)難事故時(shí)有發(fā)生。由于礦井事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,人工救援存在效率低、危險(xiǎn)性高等問(wèn)題,因此煤礦救援機(jī)器人成為近年來(lái)煤礦機(jī)械研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制了履帶式救援機(jī)器人,通過(guò)擺臂的攀爬機(jī)理,能夠跨越壕溝、臺(tái)階等障礙,但履帶行走速度低,一定程度上會(huì)降低礦井救援作業(yè)的效率。中南大學(xué)提出了具有仿生機(jī)理的輪式機(jī)器人,具有速度快、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn),但其控制策略較為復(fù)雜。為此,本文設(shè)計(jì)了一種具有多單縱臂機(jī)構(gòu)的輪式救援機(jī)器人,其速度快,控制策略簡(jiǎn)單,適合礦井非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的機(jī)動(dòng)作業(yè)。

1救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四腿式動(dòng)物(如犬)通過(guò)抬離前腿和伸長(zhǎng)后腿來(lái)調(diào)整身體質(zhì)心和姿態(tài),使身體適應(yīng)障礙高度,當(dāng)越障行為即將完成時(shí),伸長(zhǎng)前腿并抬離后腿,避免觸碰障礙。本文根據(jù)這種行為,設(shè)計(jì)了一種具有越障能力的多輪腿型救援機(jī)器人。

礦井救援機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,機(jī)器人由機(jī)體、擺臂腿機(jī)構(gòu)和行走輪構(gòu)成,行走輪由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),擺臂腿通過(guò)電推桿驅(qū)動(dòng),整車采用基于輪邊電機(jī)的分布式驅(qū)動(dòng)方式,控制靈活,可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向,便于在狹窄的礦井環(huán)境中執(zhí)行生命探測(cè)等搜救任務(wù)。

整車基本性能參數(shù)如表1所示。為確定機(jī)器人關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù),針對(duì)其通過(guò)臺(tái)階的越障幾何約束機(jī)理進(jìn)行分析。

機(jī)器人前輪越障時(shí),前擺臂抬起至最高位,如圖2所示,根據(jù)幾何關(guān)系可得:

代入上述參數(shù)值可得H=210mm>160mm,滿足越障性能指標(biāo)要求。

機(jī)器人后輪垂直越障過(guò)程如圖3所示,根據(jù)幾何約束關(guān)系可得:

式中,9為中間后輪接觸過(guò)程中底盤與臺(tái)階水平夾角,θ為底盤后側(cè)斜邊與水平方向夾角,B為底盤后側(cè)斜邊與機(jī)體垂向夾角。

對(duì)式(2)、式(3)代入上述相關(guān)參數(shù)值,可得9=23.6o,B=74.1o,所以:

此時(shí)L+R=220mm>160mm,滿足救援機(jī)器人越障性能需求。

綜合以上分析,初選尺寸滿足救援機(jī)器人設(shè)計(jì)需求。

2救援機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

在煤礦救援機(jī)器人初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)確定的基礎(chǔ)上,為了提高越障效率,需要對(duì)擺臂腿機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)上述越障分析結(jié)論可以得到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)為:

輪式機(jī)器人的越障能力主要由前擺臂確定,初始擺臂姿態(tài)約束如圖4所示,則有:

式(5)即為約束條件。由機(jī)器人結(jié)構(gòu)可知,決策變量主要是行走輪心之間的距離L1、擺臂長(zhǎng)度L、車輪的半徑R以及車體傾角91。利用GA遺傳算法設(shè)置相關(guān)參數(shù)變化范圍,選擇最優(yōu)適應(yīng)度和個(gè)體,基于MATLAB的選擇過(guò)程如圖5所示,經(jīng)過(guò)約70代優(yōu)化迭代,可確定擺臂腿的最優(yōu)參數(shù)為141.9mm。

圖5MATLABGA算法選擇過(guò)程

3救援機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為了驗(yàn)證機(jī)器人的越障性能,在ADAMs中建立了臺(tái)階虛擬障礙,并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的參數(shù)建立了機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。機(jī)器人跨越臺(tái)階的過(guò)程如圖6所示,從仿真可知,機(jī)器人可通過(guò)調(diào)整前后擺臂姿態(tài)實(shí)現(xiàn)質(zhì)心調(diào)節(jié),并適應(yīng)障礙高度,驗(yàn)證了多輪腿機(jī)構(gòu)的可行性。

圖6跨越臺(tái)階仿真

越障過(guò)程中前后擺臂腿擺動(dòng)角度的運(yùn)動(dòng)曲線如圖7所示,曲線說(shuō)明,擺臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過(guò)程為典型階躍過(guò)程,擺動(dòng)角度范圍為[-759,259],說(shuō)明所設(shè)計(jì)的擺動(dòng)角度閾值合理。

越障過(guò)程中質(zhì)心變化曲線如圖8所示,從圖中可知,機(jī)器人越障高度約為162mm,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)煤礦井復(fù)雜環(huán)境搜救難的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種仿四足輪式救援機(jī)器人,利用幾何運(yùn)動(dòng)學(xué)約束的方法設(shè)計(jì)了機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù),利用ADAMs對(duì)機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)學(xué)性能進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的多輪腿機(jī)構(gòu)的可行性。此研究為煤礦機(jī)器人設(shè)計(jì)提出了一種新的思路。