煤礦主運(yùn)大巷輪式巡檢機(jī)器人搖臂式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

摘要：目前主運(yùn)大巷帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人主要采用懸掛軌道式巡檢方式，無(wú)法巡檢位置較低或被遮擋的設(shè)備，難以滿足井下巷道及設(shè)備的全方位巡檢需求。設(shè)計(jì)了一種基于輪式巡檢機(jī)器人的搖臂式行走機(jī)構(gòu)，與軌道式巡檢機(jī)器人配合使用，以滿足全方位巡檢需求。確定了輪式巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)其行走系統(tǒng)進(jìn)行了分析，分別建立了履帶式、輪履式、搖臂式3 種行走機(jī)構(gòu)的量化模型，利用德?tīng)柗品ㄅc網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)行走機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明：基于搖臂式行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)在井下巷道環(huán)境內(nèi)的行走適應(yīng)性最佳。對(duì)搖臂式行走機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件倒V 型連桿進(jìn)行靜態(tài)性能分析，結(jié)果表明：倒V 型連桿滿足煤礦井下常見(jiàn)的坡道滿載、緊急轉(zhuǎn)彎、緊急制動(dòng)3 種工況下的強(qiáng)度與剛度需求。面向煤礦井下主運(yùn)大巷地形特點(diǎn)及運(yùn)輸裝備環(huán)境，開(kāi)展模擬巷道內(nèi)的機(jī)器人巡檢試驗(yàn)，結(jié)果表明：搖臂式輪式巡檢機(jī)器人在坡道、臺(tái)階、溝道的行走測(cè)試中均表現(xiàn)出良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠滿足對(duì)煤礦井下巷道及其內(nèi)部主要設(shè)備的巡檢需求。

關(guān)鍵詞：主運(yùn)大巷；輪式巡檢機(jī)器人；巷道巡檢；搖臂式行走機(jī)構(gòu)；履帶式行走機(jī)構(gòu)；輪履式行走機(jī)構(gòu)；倒V 型連桿

中圖分類(lèi)號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我國(guó)是世界第一煤炭大國(guó)[1]，采用機(jī)器人下井代替礦工作業(yè)是我國(guó)煤礦智能化建設(shè)的必由之路[2]。目前我國(guó)各類(lèi)煤礦機(jī)器人的研發(fā)均有所突破，部分已經(jīng)在井下試運(yùn)行[3]。國(guó)家礦山安全監(jiān)察局發(fā)布的《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》[4]中明確規(guī)劃5 大類(lèi)38 種煤礦機(jī)器人為重點(diǎn)研發(fā)方向[5]。目前，煤礦井下主運(yùn)大巷帶式輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用已相對(duì)成熟，但其仍以懸掛在帶式輸送機(jī)上方的軌道式機(jī)器人為主，巡檢角度受限于視角，對(duì)位置較低或被遮擋的設(shè)備無(wú)法巡檢，如圖1 所示。因此，亟需改造或設(shè)計(jì)一種更適合井下跨空間、變環(huán)境、可越障的輪式巡檢機(jī)器人，通過(guò)與現(xiàn)有軌道式機(jī)器人配合使用，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)井下主運(yùn)大巷及其內(nèi)部設(shè)備的高精度、全方位巡檢。

在功能方面，煤礦巡檢機(jī)器人的移動(dòng)底盤(pán)與其他特種機(jī)器人的移動(dòng)底盤(pán)并無(wú)太大差別，因此現(xiàn)有煤礦巡檢機(jī)器人多是對(duì)適用于非結(jié)構(gòu)化地形中的常規(guī)移動(dòng)底盤(pán)的借鑒和優(yōu)化。針對(duì)煤礦機(jī)器人的移動(dòng)底盤(pán)，李允旺等[6]在常規(guī)的輪式、履帶式行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了推衍與圖形拓?fù)洌⒙膸叫凶邫C(jī)構(gòu)引入搖桿式四輪機(jī)器人懸架中，得到了雙履帶式、四履帶雙擺臂式、六履帶四擺臂式及搖桿式履帶行走機(jī)構(gòu)，但并未對(duì)不同行走機(jī)構(gòu)的性能進(jìn)行橫向比較，也沒(méi)有給出何種行走機(jī)構(gòu)最適應(yīng)煤礦井下巡檢的結(jié)論。趙明輝等[7]針對(duì)煤礦井下復(fù)雜環(huán)境，提出一種腿式、履帶式相融合的復(fù)合移動(dòng)底盤(pán)，但其本質(zhì)為四擺臂履帶式移動(dòng)底盤(pán)的一種變形，在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上仍依賴履帶式底盤(pán)設(shè)計(jì)，僅局部添加腿式元素，未深度融合二者優(yōu)勢(shì)，因動(dòng)力不均、穩(wěn)定性差等問(wèn)題導(dǎo)致機(jī)器人井下適應(yīng)性不強(qiáng)。劉罡等[8]研制出了一種多節(jié)履帶式行走系統(tǒng)，該行走系統(tǒng)類(lèi)似于Souryu 搜救系列機(jī)器人，但其結(jié)構(gòu)和控制十分復(fù)雜，也未進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。孫國(guó)棟等[9]對(duì)比了現(xiàn)有履帶式移動(dòng)底盤(pán)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種W 擴(kuò)展型履帶式移動(dòng)底盤(pán)，應(yīng)用在CUMT?VI 型煤礦救援機(jī)器人樣機(jī)上，在比較現(xiàn)有履帶式移動(dòng)底盤(pán)的優(yōu)缺點(diǎn)時(shí)僅通過(guò)作圖法評(píng)判機(jī)器人通過(guò)單級(jí)臺(tái)階時(shí)的位姿狀態(tài)，評(píng)價(jià)方法較為單一。蔡李花等[10]設(shè)計(jì)了一種類(lèi)似于螃蟹的煤礦探測(cè)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，并對(duì)其直線行走和原地轉(zhuǎn)向步態(tài)進(jìn)行了分析，但該行走機(jī)構(gòu)采用6 個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，增加了成本、重量、能耗，且未進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)。李秋生等[11]在雙擺臂履帶式移動(dòng)底盤(pán)的基礎(chǔ)上，前后又增加了2 個(gè)擺臂，以進(jìn)一步改善底盤(pán)的越障效果，但也增加了雙擺臂履帶式移動(dòng)底盤(pán)的復(fù)雜度與操控難度。

理論上，移動(dòng)底盤(pán)越復(fù)雜、自由度越多，其地形適應(yīng)性越好，但是同時(shí)也帶來(lái)了復(fù)雜的機(jī)器人防爆問(wèn)題[12]。因此，現(xiàn)有的煤礦巡檢機(jī)器人樣機(jī)多以簡(jiǎn)單的移動(dòng)底盤(pán)為主， 如Groundhog 機(jī)器人、CaveCrawler 機(jī)器人和Numbat 機(jī)器人均采用了最簡(jiǎn)單的輪式移動(dòng)底盤(pán)。巡檢機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)的研究目標(biāo)是配置可靠的運(yùn)動(dòng)控制方式與合適的行駛機(jī)構(gòu)，提高巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性。目前尚無(wú)合適的行走機(jī)構(gòu)能夠滿足煤礦井下巡檢機(jī)器人的實(shí)際使用需求。因此，本文結(jié)合井下實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了一種輪式巡檢機(jī)器人搖臂式行走機(jī)構(gòu)，以其獨(dú)特的搖臂式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在煤礦井下臺(tái)階、溝道及坡道3 種典型工況下的靈活運(yùn)動(dòng)，以滿足煤礦井下巷道全方位巡檢需求，并展開(kāi)巷道模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其合理性。