煤礦巡檢機(jī)器人可變形行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 洋,李 淵,武澤偉

(山西大同大學(xué),山西 大同 037000)

煤礦發(fā)生瓦斯爆炸等災(zāi)害事故之后,會(huì)造成井下機(jī)械設(shè)備以及運(yùn)輸?shù)牡V車(chē)發(fā)生坍塌、翻轉(zhuǎn),還會(huì)使巷道發(fā)生冒頂,堵塞巷道,如地面散落的巖石、煤塊的堆積和飄散的粉塵,這種復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境要求巡檢機(jī)器人擁有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力和越障性能。巡檢機(jī)器人能否完成巡檢和環(huán)境探測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵在于機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),它直接影響機(jī)器人在井下的救援工作[1-2]。

因此,針對(duì)煤礦井下非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境和對(duì)巡檢工作的需求,結(jié)合行走機(jī)構(gòu)越障的基本性能,基于平行四邊形機(jī)構(gòu),研究設(shè)計(jì)一種井下巡檢機(jī)器人可變性行走機(jī)構(gòu),代替工作人員進(jìn)行井下的救援和勘探工作,使其在越障方面具有較高的性能。

1 可變形行走機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

1.1 常見(jiàn)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)

常見(jiàn)的機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)形式主要有輪式、履帶式、仿生式以及復(fù)合式等,每種形式的機(jī)器人都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1.1 輪式行走機(jī)構(gòu)

輪式行走機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)器人最常用的行走機(jī)構(gòu)之一,常見(jiàn)的輪式行走機(jī)構(gòu)有二輪、四輪和六輪機(jī)構(gòu)。由于這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,與地面的接觸面積小,轉(zhuǎn)向靈活,在較為平坦的路面具有一定的優(yōu)勢(shì)。但輪式行走機(jī)構(gòu)對(duì)非結(jié)構(gòu)化地形的適應(yīng)能力較弱,尤其是在翻越障礙物時(shí),翻越的高度受限于驅(qū)動(dòng)輪中心與地面的距離,在障礙物較多的環(huán)境當(dāng)中,行動(dòng)能力嚴(yán)重受限[3]。

1.1.2 履帶式行走機(jī)構(gòu)

履帶式行走機(jī)構(gòu)與地面的接觸面積較大,對(duì)地面壓力較小,可以提供較大的抓地力,使其在泥濘濕滑的路面也能保持正常行走,具有較好的越野能力。常見(jiàn)的有雙履帶、四履帶、搖臂式履帶等機(jī)構(gòu)。缺點(diǎn)是履帶式行走機(jī)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜,存在較高的能源消耗和維護(hù)成本;且該類(lèi)行走機(jī)構(gòu)地盤(pán)較低,容易出現(xiàn)卡底以及傾覆現(xiàn)象[4]。

1.1.3 仿生式行走機(jī)構(gòu)

仿生式行走機(jī)構(gòu)是模仿動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)原理、步態(tài)、骨骼結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)更高效的機(jī)器人行走能力的行走機(jī)構(gòu)。常見(jiàn)的仿生式行走機(jī)構(gòu)有足式、鳥(niǎo)類(lèi)、魚(yú)類(lèi)、蛇類(lèi)、蜘蛛類(lèi)機(jī)構(gòu),優(yōu)點(diǎn)在于它們?cè)诿鎸?duì)復(fù)雜的環(huán)境都有極強(qiáng)的適應(yīng)能力,使機(jī)器人的行走更加自然、高效。這種機(jī)構(gòu)在探索、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、救援等領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

1.1.4 其它行走機(jī)構(gòu)

除了上述常見(jiàn)的行走機(jī)構(gòu)外,還有各種復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)。通過(guò)將不同類(lèi)型的機(jī)構(gòu)組合在一起,實(shí)現(xiàn)更靈活、多變的行走方式,使得機(jī)器人能夠在不同環(huán)境中具備更廣泛的行走能力,以適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境,完成多樣化的任務(wù)。但此類(lèi)機(jī)構(gòu)存在運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)難度較大、成本較高等問(wèn)題[5-6]。

通過(guò)對(duì)上述各類(lèi)行走機(jī)構(gòu)的了解,綜合考慮各類(lèi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力,使其在越障方面更高效,設(shè)計(jì)了一種四連桿可變形機(jī)器人行走機(jī)構(gòu),用來(lái)進(jìn)行井下復(fù)雜地形的日常巡檢工作。

1.2 行走機(jī)構(gòu)整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該煤礦巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的三維模型如圖1所示。該行走機(jī)構(gòu)底盤(pán)為輪式機(jī)構(gòu),分別安裝一個(gè)電機(jī),控制輪子的運(yùn)動(dòng);左右兩側(cè)是對(duì)稱(chēng)的平行四邊形四連桿機(jī)構(gòu),連桿之間通過(guò)軸連接,前軸裝有一個(gè)蝸輪蝸桿減速機(jī)盒,通過(guò)控制連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩種模式的切換。

圖1 行走機(jī)構(gòu)三維模型

機(jī)器人各構(gòu)件參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)件參數(shù)

2 行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析

2.1 平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)位置的不確定性

平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位置存在不確定性,即兩曲柄是否會(huì)與機(jī)架共線、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中曲柄與連桿、上機(jī)架是否會(huì)發(fā)生干涉、上連桿到哪里停止運(yùn)動(dòng)。

如圖1所示,連桿機(jī)構(gòu)的安裝位置為:上連桿平行安裝在機(jī)架的正上方,兩個(gè)曲柄平行安裝在機(jī)架與上連桿的后方,上機(jī)架相對(duì)曲柄的位置開(kāi)槽,這樣就避免了干涉問(wèn)題。

如圖2所示,當(dāng)上連桿向后運(yùn)動(dòng)到與機(jī)架重合時(shí)即停止運(yùn)動(dòng),為上連桿與機(jī)架重合時(shí)的極限位置,此時(shí)不會(huì)與機(jī)架共線,傳動(dòng)角始終大于0°,即不會(huì)發(fā)生自鎖和死點(diǎn)現(xiàn)象。

圖2 重合極限位置

由圖1可知,平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件為前曲柄,共包含4個(gè)構(gòu)件,其中1個(gè)構(gòu)件為固定機(jī)架,剩余3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件,共包含4個(gè)低副,0個(gè)高副,由公式(1)可知:

F=3n-2PL-PH=3×3-2×0-1=1

(1)

式中:F為自由度;n為構(gòu)件,PL為低副,PH為高副。

自由度F為1,與主動(dòng)件數(shù)量相等。

綜上,可知機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動(dòng)。

2.2 越障性能分析

2.2.1 通過(guò)障礙物路段

當(dāng)中途有煤塊等障礙物時(shí),平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,左右曲柄帶動(dòng)整體向前擺動(dòng),使曲柄與連桿之間垂直成矩形,可直接通過(guò)障礙物,無(wú)需轉(zhuǎn)彎、攀爬,節(jié)省了時(shí)間,如圖3所示。

圖3 通過(guò)障礙物示意

根據(jù)車(chē)輪的半徑以及曲柄的長(zhǎng)度,計(jì)算出該行走機(jī)構(gòu)能通過(guò)障礙物的最高距離為181 mm.

建立如圖4所示,以行走機(jī)構(gòu)前輪軸心O為原點(diǎn)的坐標(biāo)系XOY,對(duì)行走機(jī)構(gòu)整體進(jìn)行受力分析,可得各構(gòu)件所受的力對(duì)O點(diǎn)的力矩平衡方程,如下式:

圖4 受力分析圖

Ff1+Ff2-G1-G2-G3-G4-G5-G6=0

(2)

(3)

式中:G為各構(gòu)件的重力,N;Ff1和Ff2為地面對(duì)構(gòu)件整體的臨界靜摩擦力,N;k為電機(jī)盒到O的距離,mm;L為連桿重心到O的距離,mm.

2.2.2 通過(guò)狹縫路段

路況較為平坦時(shí),平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,左右曲柄帶動(dòng)整體向后擺動(dòng),在上連桿與機(jī)架連桿重合時(shí)停止運(yùn)動(dòng),機(jī)身整體高度大幅降低,可快速通過(guò)狹窄的縫隙,如圖5所示。

圖5 通過(guò)狹縫示意

圖6為該行走機(jī)構(gòu)通過(guò)狹縫時(shí)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

圖6 通過(guò)狹縫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

能通過(guò)的最小狹縫高度應(yīng)為:

b+c+d=126 mm

(4)

式中:b為3/2長(zhǎng)連桿高度,mm;c為電機(jī)盒在長(zhǎng)連桿之上的高度,mm;d為車(chē)輪半徑,mm.

3 機(jī)器人傾覆穩(wěn)定性分析

機(jī)器人的傾覆穩(wěn)定性分析是為了確保其是否可以在不同環(huán)境和任務(wù)中保持穩(wěn)定和平衡的重要依據(jù)[7]。通過(guò)評(píng)估機(jī)器人在不同地形上的穩(wěn)定性,可以確保其在各種實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中不會(huì)傾覆或失去平衡。

在此行走機(jī)構(gòu)中,為了適應(yīng)井下復(fù)雜路況,隨著平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)中主動(dòng)曲柄擺角的變化,機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的位姿會(huì)隨之發(fā)生變化,機(jī)器人整體的質(zhì)心分布不斷變化,可能會(huì)存在質(zhì)心偏離中心平面的情況,從而產(chǎn)生機(jī)器人傾覆的情況。因此,需要對(duì)機(jī)器人的質(zhì)心進(jìn)行求解。

如圖7所示,為任意擺角時(shí)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,建立以機(jī)器人前輪軸心O0為坐標(biāo)原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系xO0y.

由圖7可得機(jī)器人質(zhì)心O的坐標(biāo):

(5)

式中:O為各構(gòu)件質(zhì)心;b和k該機(jī)構(gòu)的曲柄和連桿軸心之間的長(zhǎng)度,mm;c為電機(jī)盒質(zhì)心O5到前輪軸心O0的距離,mm;d為機(jī)體質(zhì)心O1到前輪軸心O0的距離,mm;α、β、γ分別為機(jī)體質(zhì)心O1、電機(jī)盒質(zhì)心O5、曲柄質(zhì)心O2與x軸的夾角,°.

將(5)轉(zhuǎn)化后,可得公式(6)。由公式(6)可知,當(dāng)曲柄向后擺動(dòng)時(shí),機(jī)器人質(zhì)心O的位置是在以公式(7)為圓心,以公式(8)為半徑的圓上,同時(shí)隨曲柄擺角的變化而變化。但由于曲柄只在0°～90°之間變化,所以機(jī)器人的質(zhì)心只在部分第一象限內(nèi)的圓弧上變化。

(6)

(7)

(8)

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)類(lèi)型和特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)合井下復(fù)雜環(huán)境設(shè)計(jì)了一種基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的井下巡檢機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)。

2) 用Solidworks軟件建立機(jī)器人三維模型,并在障礙物和狹縫兩種路況下,對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真模擬和分析,得出機(jī)器人通過(guò)兩種路況的極限高度分別為181 mm和126 mm,結(jié)果表明機(jī)器人具有更好的越障性能。

3) 通過(guò)對(duì)機(jī)器人的質(zhì)心位置進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果表明機(jī)器人的在變換模式的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生傾覆情況,具有較好的穩(wěn)定性。