狹窄空間智能巡檢機器人設(shè)計及運動分析

李鵬程,郝文靜,閆紅玲

(1.運城學(xué)院 機電工程系,山西 運城044000;2.臨汾投資集團有限責(zé)任公司 山西 臨汾 041000)

近年來,隨著國家工業(yè)化的快速發(fā)展,化石燃料的使用量急劇增加,煤礦的開采力度不斷加大[1-3]。由于煤礦開采環(huán)境復(fù)雜,開采過程中會產(chǎn)生有毒氣體等危險物質(zhì),嚴(yán)重危害操作人員的身體健康[4]。此外,煤礦、洗煤廠設(shè)備眾多且龐大,使得大多數(shù)工作空間較為狹窄,人工巡檢難以完成、人工巡檢周期較長這些問題都給巡檢工作帶來不便。為了降低巡檢工作的危險系數(shù)、提高巡檢的工作效率,設(shè)計適應(yīng)于狹窄空間的智能巡檢機器人顯得十分必要[5-7]。

由于礦業(yè)環(huán)境的特殊性,近年來許多學(xué)者對礦用機器人進行了相應(yīng)的研究。陳騁設(shè)計了用于礦用消防的滅火機器人并利用蒙特卡洛算法完成了機器人的實時定位[8]。商德勇等設(shè)計了煤礦用煤矸石分揀機器人,提高了智能化分選的水平[9]。學(xué)者肖毅等人研究了煤礦變電站的巡檢機器人,并對機器人的位姿進行了自適應(yīng)調(diào)整[10]。學(xué)者賈宇濤設(shè)計了一種帶式輸送機智能巡檢機器人,實現(xiàn)了帶傳動的無人值守,提高了工作效率[11]。

針對煤礦和洗煤廠的特殊工作環(huán)境,本文設(shè)計了一種三輪式智能巡檢機器人。該巡檢機器人采用輪式驅(qū)動、體積較小、結(jié)構(gòu)簡單可靠、功能齊全。機器人可以順利通過曲率半徑為400 mm,寬度為145 mm的狹窄空間完成巡檢任務(wù)。這對煤礦和洗煤廠的巡檢智能化有著重要的提升作用。本文所設(shè)計的機器人具有一定的工程使用價值,而且本文對巡檢機器人運動的研究可為礦用機器人的運動特性研究提供一定的理論參考。

1 智能巡檢機器人系統(tǒng)設(shè)計

1.1 巡檢機器人設(shè)計參數(shù)

煤礦、洗煤廠環(huán)境比較惡劣,大多數(shù)地段會有一定的坡度而且有坡度傾斜角,為了更好地完成巡檢任務(wù)需要機器人安全平穩(wěn)運行。因此所設(shè)計的機器人需要有一定的斜坡運動能力、續(xù)航能力以及良好的功能性。為了滿足狹窄環(huán)境的巡檢工作,機器人的設(shè)計需要滿足表1的技術(shù)要求。

表1 礦用巡檢機器人設(shè)計要求

1.2 巡檢機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

礦用巡檢機器人驅(qū)動方式主要采用直輪驅(qū)動,行走裝置有三輪組成,前輪主要起支撐作用,驅(qū)動力由后邊兩個輪提供,每個驅(qū)動輪由單獨的電機驅(qū)動。直輪式礦用巡檢機器人主要由前置攝像頭檢測系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機器人主體裝置底板以及驅(qū)動系統(tǒng)組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-前置攝像頭檢測系統(tǒng);2-氣體檢測系統(tǒng);3-控制系統(tǒng);4-機器人主體裝置底板;5-驅(qū)動系統(tǒng)。圖1 狹窄空間巡檢機器人裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 裝置驅(qū)動系統(tǒng)

為了滿足巡檢機器人在復(fù)雜礦業(yè)環(huán)境中的運動、方便機器人的行走,每個驅(qū)動輪都由各自獨立的電機進行驅(qū)動,控制系統(tǒng)通過控制電機的轉(zhuǎn)動速度,改變輪1和輪2的速度來完成巡檢機器人的順利轉(zhuǎn)彎。驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由于巡檢機器人既需要在相對平整的行走環(huán)境行走也需要在凹凸不平的運行環(huán)境中行走?？赏ㄟ^更換機器人的前輪來使得機器人適應(yīng)不同行走環(huán)境。如下圖所示,牛眼萬向輪僅適用于相對平整的行走面,為了滿足凹凸不平的環(huán)境可更換帶有萬向架的直輪,直輪的示意圖如圖3所示。此外,該機器人還能在管道中行走。前輪可以使用連接式六角螺栓螺母。裝置可以根據(jù)運行環(huán)境更換前支撐輪。

1-牛眼萬向輪;2-連接式六角螺栓螺母;3-驅(qū)動輪裝置。圖2 狹窄空間巡檢機器人驅(qū)動裝置示意圖

1.2.2 機器人巡檢系統(tǒng)

機器人的檢測系統(tǒng)主要由前置攝像頭檢測裝置、氣體檢測裝置以及防爆保護殼體這幾部分組成。前置攝像頭檢測裝置可用于檢測巡檢機器人的巡檢路況以及各類裝置的工作狀況。具體而言就是機器人的傳感器系統(tǒng)將反映檢測機器人前方礦井狀況、設(shè)備工作狀況的圖片傳至上位機并可以進行儲存。并且此裝置可以根據(jù)實際使用過程中的需求,利用控制系統(tǒng)控制攝像頭支撐架的舵機,完成攝像頭檢測裝置的上下升降。車身主體上安裝有有毒氣體檢測裝置,檢測裝置主要是由各類傳感器組成。實際應(yīng)用中可以根據(jù)需要安裝不同類型的傳感器,比如利用傳感器進行礦井巷道內(nèi)的溫度、濕度以及有毒氣體濃度等指標(biāo)的檢測等。攝像頭檢測裝置下部安裝有報警警示燈和蜂鳴報警器。無論是前部攝像頭檢測裝置還是氣體檢測裝置都和報警裝置聯(lián)合使用,只要檢測系統(tǒng)檢測到異常情況,報警裝置就會起到作用。由于礦井的惡劣環(huán)境對巡檢機器人加裝了防爆殼體來,實現(xiàn)對巡檢機器人的保護。巡檢機器人的巡檢系統(tǒng)如圖4所示。

1-前置攝像頭檢測裝置;2-報警指示燈裝置;3-蜂鳴報警器;4-攝像頭支撐架;5-調(diào)節(jié)調(diào)角舵機;6-氣體檢測裝置;7-防爆殼體。圖4 機器人巡檢系統(tǒng)示意圖

1.3 巡檢機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

巡檢機器人主要滿足狹窄空間的巡檢任務(wù),為了提升機器人的自動化水平,就對機器人的控制系統(tǒng)有了較高的要求。因此機器人巡檢系統(tǒng)由巡檢機器人、數(shù)據(jù)傳輸裝置以及上位機人機交互平臺組成。主要是各類傳感器與主控制模塊來進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。裝置的控制方案如圖5所示。機器人的巡檢流程圖如圖6所示。

圖5 巡檢機器人工作方案

圖6 巡檢機器人巡檢流程圖

2 巡檢機器人的運動分析

為使機器人在巡檢過程中順利通過狹窄空間,對機器人運動特性進行研究至關(guān)重要[12]。本文對機器人彎曲環(huán)境的通過性進行分析,檢測一定曲率半徑彎曲環(huán)境中機器人的轉(zhuǎn)彎特性。

2.1 機器人的轉(zhuǎn)彎分析

將機器人視為理想的剛性原件進行簡化處理,如圖7所示選取一定的曲率半徑,看裝置是否與環(huán)境形成干涉,產(chǎn)生卡堵現(xiàn)象。圖中令O為坐標(biāo)系的原點,r表示彎曲環(huán)境中心到原點的距離。b為機器人的寬度,t為機器人的長度,D為彎曲環(huán)境兩障礙物之間的距離。OP表示原點到遠離原點的機器人遠端的距離,OP與彎曲環(huán)境相交于點y。

圖7 巡檢機器人轉(zhuǎn)彎通過性示意圖

如果巡檢機器人順利轉(zhuǎn)過彎曲環(huán)境應(yīng)該滿足以下條件:

(1)

即應(yīng)該滿足下式數(shù)學(xué)關(guān)系:

(2)

其中,r=400 mm,D=160 mm,t=240 mm,將這些數(shù)據(jù)帶入式(2)中可得機器人的寬度應(yīng)該小于144.8 mm才能順利通過障礙寬度為160 mm的彎曲路況。

在轉(zhuǎn)彎的過程中,驅(qū)動輪H1靠近曲率中心(輪速為v1),驅(qū)動輪H2靠近曲率中心(輪速為v2)設(shè)輪子到所走彎曲路線中心距離為Q(假設(shè)機器人轉(zhuǎn)彎軌跡為以曲率中心為圓心得圓弧)。轉(zhuǎn)彎過程中兩輪速度之間的關(guān)系滿足:

(3)

2.2 轉(zhuǎn)彎過程中考慮滑移時的運動分析

機器人在進行轉(zhuǎn)彎時利用差速原理控制兩個驅(qū)動輪具有不同的速度來達到轉(zhuǎn)彎的效果。但是在機器人運行過程中輪子和接觸面之間的滑移不可避免,因此需要考慮滑移時的運動狀況。建立相應(yīng)的模型如圖8所示。在圖中vt為沿著行走方向的滑移,vs為垂直行走方向的滑移,ω和ω1分別為沒有滑移和有滑移的角速度,θ為轉(zhuǎn)彎過程中的運動角度。v則為理想狀態(tài)機器人轉(zhuǎn)彎時質(zhì)心速度。

圖8 考慮滑移時的轉(zhuǎn)彎模型圖

存在滑移時轉(zhuǎn)彎運動學(xué)模型為:

(4)

經(jīng)過分析轉(zhuǎn)彎滑動的運動學(xué)模型為:

(5)

3 巡檢機器人的仿真分析研究

ADAMS是較為常用的動態(tài)仿真軟件[13]。本文將所設(shè)計的巡檢機器人的三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進行相應(yīng)的模擬分析。在進行分析時需要對模型進行簡化并且對無關(guān)的零部件作布爾求解,設(shè)置一定的仿真時間,模擬設(shè)置曲率半徑為400 mm,障礙物之間距離為160 mm的彎道環(huán)境。經(jīng)過仿真可以得出下文敘述中的仿真圖。

經(jīng)過分析可知轉(zhuǎn)彎過程中的巡檢機器人質(zhì)心會發(fā)生一定程度的位移變化,質(zhì)心變化的仿真圖如圖9所示。

圖9 機器人質(zhì)心在X、Y軸方向的位移變化曲線

質(zhì)心在X、Y兩方向產(chǎn)生一定的位移變化是因為運動過程中的差速轉(zhuǎn)彎,運動慣性造成機器人產(chǎn)生一定的滑移。但是由于兩驅(qū)動輪輪速之間的比例關(guān)系不會造成質(zhì)心產(chǎn)生較大的位移,轉(zhuǎn)彎過程中機器人的質(zhì)心輕微的位移變化不會影響轉(zhuǎn)彎過程。經(jīng)分析,機器人可以順利轉(zhuǎn)彎。

靠近彎道曲率中心的輪速v1和遠離彎道的輪速v2在轉(zhuǎn)彎過程中隨時間的變化曲線如圖10所示。兩輪的速度變化趨勢是不同的,這是為了順利通過彎道,對兩輪進行了差速控制。遠端輪子輪速v2呈現(xiàn)先增大后慢慢減小,而近端輪子輪速由直道進入彎道時開始持續(xù)減少直到通過彎道。在轉(zhuǎn)彎過程中遠端輪子速度在某一瞬間達到最大值,最大值出現(xiàn)在機器人到達彎道的極限位置處。

圖10 巡檢機器人轉(zhuǎn)彎過程中兩驅(qū)動輪的速度變化曲線圖

4 相關(guān)的實驗驗證

搭建輪式巡檢機器人模型,并使用搭建的模型進行簡單的轉(zhuǎn)彎測試,在實驗室內(nèi)自行擺放相應(yīng)的障礙物,組成可供實驗的模擬彎道。搭建的機器人實驗裝置如圖11所示。

圖11 狹窄空間巡檢機器人試驗樣機及實驗圖

對轉(zhuǎn)彎過程進行實驗,記錄轉(zhuǎn)彎時間,得到實驗和仿真數(shù)據(jù)如表2所示。將實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進行對比可以發(fā)現(xiàn),實驗所得數(shù)據(jù)總是小于仿真模擬得出的數(shù)據(jù),這是由樣機轉(zhuǎn)彎過程中輪子與地面之間的摩擦以及機器人樣機搭建中的誤差等實際因素造成的。

表2 巡檢機器人轉(zhuǎn)彎實驗、仿真數(shù)據(jù)表

5. 結(jié)論

(1)文中設(shè)計的狹窄空間輪式巡檢機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、方便攜帶、續(xù)航能力較好以及體積較小的優(yōu)點。兩輪差速驅(qū)動,保證機器人順利過彎,可以完成狹窄空間的巡檢任務(wù)。

(2)對機器人的轉(zhuǎn)彎運動進行了分析,并且得出彎道曲率半徑與機器人尺寸之間的關(guān)系,保證了巡檢機器人彎道通過性。經(jīng)過仿真分析可知機器人在轉(zhuǎn)彎過程中質(zhì)心會有輕微的變化,但是不影響機器人的運行。為更好地研究機器人的運動在機器人轉(zhuǎn)彎過程中應(yīng)適當(dāng)考慮機器人運行過程中產(chǎn)生的滑移現(xiàn)象。在轉(zhuǎn)彎過程中兩驅(qū)動輪輪速需保證一定的比例關(guān)系才能順利通過彎道。轉(zhuǎn)彎時近端輪速逐漸較小,遠端輪速先增大后減小。通過對輪速的有效控制達到順利過彎的目的。

(3)搭建巡檢機器人試驗樣機,利用樣機進行轉(zhuǎn)彎實驗,實驗數(shù)值與仿真數(shù)值有一定的誤差但是誤差較小,實驗仿真對比驗證了巡檢機器人設(shè)計的合理性。本文巡檢機器人的設(shè)計與研究可為狹窄空間作業(yè)機器人的研究提供一定的參考。