巡檢機器人越障運動學分析及仿真

趙建偉，張云龍，商德勇，劉 娜，范 迅

（中國礦業大學（北京），北京 100083）

0 引言

目前煤炭行業進入嚴冬狀態、煤炭價格整體跳水、煤炭儲量嚴重過剩等問題嚴重影響著各個地方的煤炭企業。對于薄煤層的自動化開采，因為煤層的開采厚度低，與中厚及厚煤層相比，薄煤層的機械化長壁開采工作面存在一些缺點。薄煤層采高低、開采環境條件差、采煤設備移動困難，尤其是在綜采工作面，當其最小開采高度降到一點二米以下時，工作人員進出工作面和在工作面進行勞動是非常困難的，同時，薄煤層采掘比大，開采工作面工人接替也很緊張。目前隨著長壁機械化開采技術的發展，采煤工作面的推進速度加快。但由于薄煤層開采工作面的回采巷道是半煤巖巷道，在巷道的掘進方法上面卻沒有多大的變化，依然是應用打眼放炮、人工裝煤，這樣導致掘進速度變慢。應用綜采設備開采薄煤層，設備投資大，開采量和開采效率不高，只有中厚煤層和厚煤層綜采工作面的一半左右，其經濟效益遠遠不如開采厚及中厚煤層。

在薄煤層開采中，由于薄煤層開采厚度小，其開采設備在安裝、操作、維護等方面比中厚及厚煤層難度較大。由于薄煤層空間的限制，工人在進出通道和在工作面工作都受到限制，在正常傾角下薄煤層的開采垂直高度遠遠低于正常人的身高，加上開采設備占用的高度，工人在進入工作面活動十分困難。這樣工作效率低且長時間下去對工人身體造成危害。因此需要一種安全性高且可靠性強的移動式機器人，在工人無法工作的環境中代替工人完成對設備的監測與維護工作[1]。為解決上述等問題，本文提出一種用于薄煤層工作面設備安全監測、巡檢的移動機器人。

1 機器人的結構設計

薄煤層礦井的井下工作環境是極其復雜的地形，一般包括斜坡，凸臺，壕溝，等地形或是可以由上述三種地形綜合構成。煤層巡檢機器人主要是在煤礦開采工作面進行巡檢工作，需要巡檢機器人通過遙控或是自主的完成避障和跨溝等動作。目前，輪式機器人，履帶式機器人，腿式機器人都是具有復雜地形適應性的移動機器人，這三種移動方式各有其實用性和優勢，但也同時存在相應的一些缺點。

輪式機器人具有速度快、結構簡單、效率高等優點，適合在平坦的路面行走。但是不適合壕溝、凸臺等地形，越障能力不及履帶機器人；履帶式移動機器人優點在于機動性能好、越障能力強，能在陡峭地形、復雜環境下有著較高的越障能力和適應性，缺點是機械結構相對復雜、機械傳動效率低、與地面摩擦阻力大、機器人整體質量大。腿式移動機構的移動速度慢，整體質量較大，轉彎靈活性低、機動性差，因此該類機器人的負載低，要想實現穩定高速的行走，還有諸多難題需要解決[2]。

綜上所述，根據薄煤層開采工作環境，選擇履帶式移動機器人作為設計首選。目前國內外對履帶式移動機器人研究的有很多，技術成熟的比如美國Foster-Miller公司研制的Talon 機器人[3-8]，中國礦業大學研制的CUMT礦用救災機器人[8]，日本研究的HELIOS 系列履帶式搜索機器人[9]，美國i Robot 研究的擺臂式Pack Bot 機器人，哈爾濱工業大學機器人研究所研制的煤礦搜救機器人[10]等。通過對不同的履帶式移動機器人的分析研究，考慮到薄煤層開采環境的特殊性，制定機器人的形成參數如表2 所示。

表1 移動機構的優缺點Tab.1 The advantages and disadvantages of mobile mechanism

根據以上設計要求，本文設計的六履帶式移動機器人的基本結構如圖1 所示。從圖中可以看到機器人主要由箱體、主驅動組件及擺臂三部分組成。箱體中包括控制系統、信息采集系統、動力系統。主驅動組件包括主驅動輪、從動輪、主履帶。擺臂包括擺臂驅動輪、張緊輪、連板、擺臂履帶。

表2 機器人性能參數Tab.2 The performance parameters of the robot

2 運動學分析

圖1 機器人總裝圖Fig.1 Robot assembly drawing

機器人由六個履帶構成，結構復雜，左右對稱，可將機器人各關節當剛體處理。建立機器人姿態模型坐標系 應用機器人學中的D-H 坐標變化方法，分別以機器人的關節轉軸為原點建立坐標系。

設機身質量為m1、前、后擺臂質量為m2；機身質心位置為LC1，擺臂質心位置為LC2；機身長度L1，前、后擺臂長度為L2；r1，r2分別表示大輪、小輪直徑。設垂直障礙高度為h，后擺臂與地面接觸點到垂直障礙的距離為c。以機器人的關節轉軸的原點為坐標系的原點建立坐標系。以后擺臂小輪與地面接觸點為原點建立固定坐標系x0y0；以機身驅動輪轉動中心建立機身坐 標 系x1y1z1；以 前擺臂轉動中心建立前擺臂坐標系 x2y2z2；以后擺臂轉動中心建立后擺腿坐標系x3y3z3。如圖2 所示。

機器人越垂直障礙時ψ=0，φ=0。機器人前擺臂與后擺臂相對機身坐標系x1y1z1的變換關系如表3 所示。機器人各個關節齊次變換矩陣T 為：

圖2 機器人越垂直障礙位姿Fig.2 Across vertical obstacle the robot posture

表3 機器人越障坐標系變換關系表Tab.3 Over- obstacle coordinate system transformation

式中c、s 分別代表cos、sin。機器人的質心位置：各關節質心位置坐標用1P1，2P2，3P3表示，則：

各關節質心位置相對坐標系x1y1z1的表示為：

整體質心：

式中m=m1+2m2為機器人的質量，得質心1P 和0P：

式中可以看到相對于坐標系x0y0的機器人質心位置：

帶入機器人設計參數得到機器人質心位置方程：

通過測定α1，α2，α3就可以確定機器人的質心位置。通過Matlab 軟件對方程求解得到機器人越垂直障礙高度Matlab 曲線如圖3 所示。圖中分析得到機器人理論越障最大高度為160mm，此時機器人后擺臂與垂直障礙之間的最小距離為70mm，且此時α3=α1+90°。

圖3 機器人越垂直障礙高度曲線Fig.3 The robot across vertical obstacle high curve

3 ADAMS 運動學仿真分析

為了提高機器人設計的效率和可靠性，在機器人的研制設計中，采用虛擬仿真軟件ADAMS 對六履帶式移動機器人三維實體模型進行運動學仿真。得到機器人在越垂直障礙時的速度曲線、加速度曲線和機器人的實時位置曲線。仿真時要對機器人三維實體模型進行簡化，但是要保證機器人的材料屬性沒有變化從而保證機器人的仿真能實際反映出機器人在越障時的速度、加速度和位置的變化過程。圖4 是機器人在越垂直障礙時仿真得到的曲線。

圖4 機器人越垂直障礙速度與加速度曲線Fig.4 Across the vertical obstacle velocity and acceleration curve

4 結論

提出一種具有越障能力強、質量輕、體積小，能在狹小的工作空間中實施工作的六履帶式移動機器人。該機器人能夠越過臺階、樓梯等室內結構化和非結構化障礙；建立機器人運動學數學模型，分析機器人質心位置和越障高度；通過Adams 軟件運動仿真，分析機器人的越垂直障礙性能，驗證了六履帶式移動機器人的可行性。

[1] 許旺，賈瑞清，江濤，等 薄煤層綜采工作面安全監測移動機器人的研究[J]. 礦山機械，2010，20.

[2] 段星光，黃強，李科杰.小型輪履腿復合式機器人設計及運動特性分析[J]. 機械工程學.

[3] C. Pepper；S. Balakirsky；C. Scrapper. Robot simulation physics validation[C].2007 Performance Metrics for Intelligent Systems Workshop，2007.

[4] B. A. Jones；W. McMahan；I. D. Walker. Practical kinematics for real-time implementation of continuum robots[C].Proceedings of the 2006 International Conference on Robotics and Automation，2006.

[5] P. K. Pal;K. Jayarajan;D. D. Ray;M. Singh;V. Mahadev, et al. A mobile robotthat removed and disposed ammunition boxes[J].Current Science, 2007，12.

[6] C. L. Cawley. The Enhancement of a Multi-Terrain Mechatron for Autonomous Outdoor Applications[D].2006.

[7] W. McMahan;V. Chitrakaran;M. Csencsits;D. Dawson;I. D. Walker,et al. Field trials and testing of the OctArm continuum manipulator[C].Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2006.

[8] Yamanchi B. The Wayfarer modular navigation payload for intelligent robot infrastructure[M].Unmanned Ground Vehicle Teleology Vll,2005.

[9] F. Matsuno, S. Hirose, I. Akiyama, T. Inoh, M. Guarnieri, et al. Introduction of mission unit on information collection by on-rubble mobile platforms of development of rescue robot systems（DDT） project in Japan. SICE-ICASE International Joint Conference 2006, Bexco, Busan, Korea, 2006.

[10] W. D. Wang, Z. J. Du, L. N. Sun. Obstacle performance analysis of mine research robot based on terramechanics. Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Harbin China，2007.