摘要：本文首先探討了機(jī)器人進(jìn)行救援或輔助救援的應(yīng)用策略與應(yīng)具備的功能，對(duì)需克服的非結(jié)構(gòu)化地形環(huán)境進(jìn)行研究，對(duì)其特征進(jìn)行并提取與和簡(jiǎn)化地形特征，提出了煤礦救災(zāi)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的性能要求與指標(biāo)，采用分形插值與三次樣條插值運(yùn)算的方法模擬了三維真實(shí)地形，有利于其機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真與優(yōu)化。采用四履帶雙擺臂式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了煤礦救災(zāi)機(jī)器人，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用分析。

關(guān)鍵字：礦井救災(zāi)機(jī)器人；特征提??；非結(jié)構(gòu)地形；四履帶雙擺臂式

1 引言doubleswingarmtype

我國(guó)的煤炭資源十分豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。在我國(guó)的能源工業(yè)中，煤炭占我國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的70％左右，當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，對(duì)煤炭工業(yè)發(fā)展提出了更高的要求。

近年來(lái)，我國(guó)煤礦事故頻發(fā)。事故中，火災(zāi)和爆炸相關(guān)的事故又占了相當(dāng)大的比例，而礦井下引起火災(zāi)和爆炸的主要物質(zhì)是瓦斯和粉塵。煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，影響煤礦安全生產(chǎn)的因素多，是造成事故的客觀因素。我國(guó)煤礦開(kāi)采的煤層大多瓦斯含量大、透氣性低且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不易在開(kāi)采前抽放瓦斯，大中型煤礦中，高瓦斯礦井占20.34%，瓦斯突出礦井占19.77%。小型煤礦中，高瓦斯礦井占15%左右[4]。礦井一旦發(fā)生瓦斯爆炸事故，井下人員及財(cái)產(chǎn)處于極度危險(xiǎn)境地，必須盡快組織搶救，在煤礦救護(hù)過(guò)程中，由于指揮不當(dāng)、違章作業(yè)、設(shè)備局限以及二次爆炸等原因造成救護(hù)人員傷亡的事故也時(shí)常發(fā)生。

綜上所述，由于我國(guó)煤礦的地質(zhì)特點(diǎn)和一些管理因素，礦難頻發(fā)。礦難發(fā)生后，救護(hù)隊(duì)員需冒險(xiǎn)深入災(zāi)區(qū)進(jìn)行探險(xiǎn)、救護(hù)遇險(xiǎn)人員等災(zāi)害處理工作。而發(fā)生災(zāi)害后，進(jìn)行井下救護(hù)與災(zāi)害處理的危險(xiǎn)性很高。迫切需要研發(fā)替代或部分替代救險(xiǎn)隊(duì)員進(jìn)入礦井災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行環(huán)境探測(cè)和完成搜救任務(wù)的煤礦救災(zāi)機(jī)器人。所以，開(kāi)展煤礦救災(zāi)機(jī)器人的研究對(duì)煤礦安全生產(chǎn)、災(zāi)害救護(hù)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義與社會(huì)意義，并建立特種危險(xiǎn)環(huán)境下的工業(yè)救災(zāi)體系具有十分重要的意義。

2 井下非結(jié)構(gòu)地形建模

2.1煤礦救災(zāi)機(jī)器人的救援策略

瓦斯爆炸波及范圍廣、破壞程度大，造成人員傷亡多，而且災(zāi)害處理具有很大的難度和危險(xiǎn)性，在搶險(xiǎn)救災(zāi)的初期，受災(zāi)區(qū)域具體范圍、爆源位置、瓦斯與CO濃度、巷道破壞情況均幾乎一無(wú)所知，搶險(xiǎn)救護(hù)人員面臨著二次爆炸、CO中毒、頂板隨時(shí)冒落的危險(xiǎn)，以及高溫的威脅。機(jī)器人可以在救護(hù)人員之前進(jìn)入災(zāi)區(qū)，探測(cè)并傳回災(zāi)區(qū)環(huán)境信息。煤礦救災(zāi)機(jī)器人參與救援的救援策略進(jìn)行如下：

(1)切斷災(zāi)區(qū)電源，通知礦山救護(hù)隊(duì)，迅速成立救災(zāi)指揮部，嚴(yán)格按照災(zāi)害預(yù)防處理計(jì)劃的要求，設(shè)立若干搶救組各行其責(zé)。

(2)體確定災(zāi)區(qū)范圍，在盡量靠近災(zāi)區(qū)的安全位置建立井下救災(zāi)指揮中心，并保證井上、井下指揮中心的通訊通暢。井下救災(zāi)指揮中心的位置應(yīng)該滿足通風(fēng)正常、瓦斯與CO濃度在安全范圍之內(nèi)，又可以阻擋瓦斯二次爆炸的沖擊波。

(3)搶險(xiǎn)救護(hù)人員攜帶必備的救護(hù)設(shè)備及救災(zāi)機(jī)器人以井下救災(zāi)指揮中心為基地，向?yàn)?zāi)區(qū)推進(jìn)。救災(zāi)機(jī)器人可以作為搶險(xiǎn)救災(zāi)人員的先行軍進(jìn)入災(zāi)區(qū)巷道，檢測(cè)巷道內(nèi)的瓦斯與CO濃度、溫度等環(huán)境信息。

(4)利用多臺(tái)煤礦救災(zāi)機(jī)器人對(duì)災(zāi)區(qū)核心區(qū)域的可疑巷道和工作面同時(shí)進(jìn)行探測(cè)。

2.2煤礦井下非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境特征提取與簡(jiǎn)化

煤礦井下地形環(huán)境為一種特殊的非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境，井下巷道布局、軌道與人行道建造、設(shè)備布置是根據(jù)煤礦地質(zhì)特點(diǎn)與煤炭生產(chǎn)的需要，按照一定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、建設(shè)與安裝的。因此，煤礦井下存在著一些固定形狀與結(jié)構(gòu)的特定地形，如道床與鋼軌等。移動(dòng)機(jī)器人活動(dòng)的地形環(huán)境及活動(dòng)長(zhǎng)度是機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始條件，決定了煤礦救災(zāi)機(jī)器人機(jī)械性能指標(biāo)，也進(jìn)一步?jīng)Q定了機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)形式的選擇、尺寸的確定。建立符合煤礦井下特征的實(shí)際模型用于機(jī)器人仿真；并根據(jù)煤礦災(zāi)區(qū)的調(diào)研情況，確立井下一定程度的非結(jié)構(gòu)的地形環(huán)境，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。

巷道斷面包括機(jī)巷道的斷面形狀、寬度尺寸與高度尺寸。決定機(jī)器人的寬度尺寸的選擇。拱形雙軌巷道凈寬度按下式計(jì)算。

B=a+2A1+C+t≥2.4m(2-1)

式中，B為巷道凈寬度，指直端內(nèi)側(cè)的水平距離，a為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的非行人側(cè)的寬度，a≥0.3m；當(dāng)巷道內(nèi)安設(shè)輸送機(jī)時(shí)，輸送機(jī)距支護(hù)或碹墻最突出部分之間的距離，a≥0.5m。A1為輸送設(shè)備的最大寬度。C為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，人行道的寬度，從巷道道碴面起1.6m的高度內(nèi)，C≥0.8m，在人行停車地點(diǎn)C≥1.0m，在1.6m至1.8m之間不得架設(shè)管、線和電纜。

圖1軌道斷面

2.3三維特征地形與真實(shí)地形的計(jì)算機(jī)建模

對(duì)煤礦井下的地形環(huán)境的尺寸參數(shù)的調(diào)研與地形特征的提取與簡(jiǎn)化，采用三維制圖軟件，對(duì)其三維特征地形進(jìn)行建模。煤礦井下獨(dú)立臺(tái)階的高度多在250mm以下，人連續(xù)臺(tái)階的高度h一般取值150~180mm，臺(tái)階跨度b一般取值220~350mm，臺(tái)階寬度B一般取值

600~1200mm，連續(xù)臺(tái)階的坡度與巷道坡度常常一致，一般在8~15°之間。根據(jù)簡(jiǎn)化的特征地形與煤礦井下參見(jiàn)地形的尺寸，對(duì)三維特征地形進(jìn)行了建模。如圖2為其中的一個(gè)三維特征地形，此三維模型包括四大部分，包括凸臺(tái)區(qū)、臺(tái)階區(qū)、溝道區(qū)和斜坡區(qū)。

圖2 三維特征地形

2.3三維真實(shí)地形的計(jì)算機(jī)模擬與仿真

對(duì)煤礦井下非結(jié)構(gòu)地形進(jìn)行特征提取與簡(jiǎn)化，有利于對(duì)機(jī)器人虛擬樣機(jī)進(jìn)行特征障礙地形的越障運(yùn)動(dòng)的模擬與仿真。

2.3.1復(fù)雜地面的樣條插值仿真

數(shù)字高程模型DEM是對(duì)地面環(huán)境的地形地貌的一種離散的數(shù)字表示形式，用格網(wǎng)點(diǎn)的高斯坐標(biāo)（x，y）及其相對(duì)應(yīng)的高程Z來(lái)表示的[5][7]。地形的三維顯示首先要獲取DEM數(shù)據(jù)，對(duì)于小面積的地面，可采用三維激光掃描儀獲取其DEM數(shù)據(jù)。由于客觀條件的限制，往往不能取得足夠的采樣點(diǎn)來(lái)滿足顯示和模擬的需要，因此，需要進(jìn)行內(nèi)插以生成更多的點(diǎn)。常用的插值方法有反距離權(quán)重插值（Inverse Distance Weighted）、雙線性插值（Bilinear Interpolation）、趨勢(shì)面插值（Trend Surface Interpolation）、樣條插值（Spline Interpolation）等。MATLAB里提供了二維插值指令，其函數(shù)格式為：Z=interp2(x,y,z,X,Y,’method’)。樣條插值的精度要高于線性插值和立方插值，在實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛。因此，在二維插值運(yùn)算選擇了三次樣條插值法。

選擇一段3500×3600mm面積的起伏地形，采用一組單格為250×300mm的垂直正交的網(wǎng)格，測(cè)量每一網(wǎng)格交點(diǎn)上的高度，獲得該地形的一組規(guī)則的二維矩陣高程值。數(shù)據(jù)進(jìn)行三次樣條插值運(yùn)輸，插值點(diǎn)構(gòu)成的新的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)X、Y的間隔分別為30mm、60mm。插值運(yùn)算后，生成的三維曲面圖如圖3所示。

圖3 采用原始數(shù)據(jù)樣條插值后生成的曲面

3礦井救災(zāi)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)與行走機(jī)構(gòu)構(gòu)型研究

3.1行走機(jī)構(gòu)構(gòu)型研究

履帶式行走機(jī)構(gòu)是輪式行走機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。常見(jiàn)的履帶式行走機(jī)構(gòu)為方形履帶，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示，該行走機(jī)構(gòu)由懸架、驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、承重輪、托帶輪與履帶等部分組成，其驅(qū)動(dòng)輪及導(dǎo)向輪兼作支撐輪（承重輪），支撐地面的面積大，穩(wěn)定性好。

圖4 方形履帶式行走機(jī)構(gòu)

四履帶雙擺臂履帶機(jī)器人的越障機(jī)理

圖5 機(jī)器人的質(zhì)心軌跡

建立圖5所示的以機(jī)器人后履帶輪軸心為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系xo₁y，設(shè)機(jī)器人主履帶部分前后兩履帶O₁O₂的間距為l₀，主體部分質(zhì)量為m₁，質(zhì)心G₁的坐標(biāo)為 (l₁ ,h₁)，在攀越典型障礙時(shí)，需兩擺臂同步擺動(dòng)，因此設(shè)兩擺臂的質(zhì)量為m₂，質(zhì)心為G₂，處于擺臂中心線O₂O₃上，距離前履帶輪軸心O₂的長(zhǎng)度為l₂，設(shè)擺臂兩履帶輪軸心的間距為l₃，擺臂的擺角為θ，且θ∈[0,2π]，設(shè)主體履帶輪半徑為R，擺臂前履帶輪半徑為r，均含履帶厚度，機(jī)器人寬度為b，則機(jī)器人的質(zhì)心(x_G, y_G)的坐標(biāo)為擺臂履帶機(jī)器人的質(zhì)心滿足以下關(guān)系

擺臂履帶機(jī)器人的質(zhì)心滿足以下關(guān)系：

機(jī)器人的質(zhì)心隨著擺臂擺角θ的變化的軌跡是以

為圓心O，以

 為半徑的圓。

四履帶雙擺臂機(jī)器人正向攀越臺(tái)階的過(guò)程如圖6所示，機(jī)器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，使其主履帶前端搭靠在臺(tái)階的外角線上，機(jī)器人繼續(xù)移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)擺臂順時(shí)針擺動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人重心線越過(guò)臺(tái)階外角線時(shí)，機(jī)器人以該外角線為支線向臺(tái)階上平面翻轉(zhuǎn)，則機(jī)器人成功的攀越臺(tái)階。

圖6 機(jī)器人正向攀爬臺(tái)階的過(guò)程

一旦機(jī)器人主履帶搭靠在臺(tái)階外角線上，根據(jù)臺(tái)階高度，將有3種攀爬方法：

其一，主履帶與擺臂履帶成一條線，采用類似固定履帶的攀爬方式，靠機(jī)器人的重心線越過(guò)外角線，翻轉(zhuǎn)至臺(tái)階上部平臺(tái)，此過(guò)程如圖4-18A所示。此時(shí)機(jī)器人履帶總長(zhǎng)度為

其二，當(dāng)臺(tái)階的高度小于或等于擺臂的長(zhǎng)度（H ≤l₃ +r-R）時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)擺臂，可保證機(jī)器人擺臂不離地的情況下，機(jī)器人主車體平穩(wěn)地放平在臺(tái)階的上部平臺(tái)。當(dāng)機(jī)器人主車體平放在臺(tái)階的上部平臺(tái)后，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)保證機(jī)器人質(zhì)心移動(dòng)過(guò)臺(tái)階外角線，機(jī)器人攀越臺(tái)階成功，如圖

所示。這種攀越方式，機(jī)器人越障平穩(wěn)，不會(huì)受到跌落沖擊。 其三，當(dāng)臺(tái)階的高度大于擺臂的長(zhǎng)度（3H >l +r -R）時(shí)，可借助擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)器人質(zhì)心向臺(tái)階外角線靠近并越過(guò)臺(tái)階外角線，完成攀越臺(tái)階的動(dòng)作。 機(jī)器人跨越臺(tái)階的高度H與θ、β具有以下關(guān)系：

H的最大值H_max即為機(jī)器人反向攀爬臺(tái)階是的臺(tái)階高度的最大值。H對(duì)θ求偏導(dǎo)等于0，

在攀爬臺(tái)階的時(shí)候，當(dāng)擺臂的擺角θ與機(jī)器人主體的傾角β取上面關(guān)系式時(shí)，H存在最大值。當(dāng)機(jī)器人擺臂的質(zhì)量較小，對(duì)機(jī)器人的質(zhì)心位置影響較小，可忽略時(shí)，擺臂處于豎直位置，即時(shí)，H有最大值。

4結(jié)論

本文根據(jù)煤礦井下尤其是發(fā)生瓦斯、煤塵爆炸事故后的非結(jié)構(gòu)化的地形環(huán)境和爆炸性氣體環(huán)境，災(zāi)難發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜危險(xiǎn)，決策者和救援人員由于缺少信息無(wú)法及時(shí)做出決策和判斷，導(dǎo)致許多被困人員因救援不及時(shí)而喪生。因此，為順利開(kāi)展救援工作，減少人員傷亡，研究替代或部分替代救援人員進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行環(huán)境探測(cè)的搜索機(jī)器人具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以災(zāi)難救援為研究背景，研制了一種多節(jié)履帶式搜索機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，并開(kāi)展了搜索機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析跨越障策略等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

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