矿井救援机器人优化设计

引言

煤矿井通常具有作业环境恶劣、危险系数高的特点,矿井灾难事故时有发生。由于矿井事故现场环境复杂,人工救援存在效率低、危险性高等问题,因此煤矿救援机器人成为近年来煤矿机械研究领域的热点。中国矿业大学研制了履带式救援机器人,通过摆臂的攀爬机理,能够跨越壕沟、台阶等障碍,但履带行走速度低,一定程度上会降低矿井救援作业的效率。中南大学提出了具有仿生机理的轮式机器人,具有速度快、机动性强的特点,但其控制策略较为复杂。为此,本文设计了一种具有多单纵臂机构的轮式救援机器人,其速度快,控制策略简单,适合矿井非结构化环境的机动作业。

1救援机器人结构设计

四腿式动物(如犬)通过抬离前腿和伸长后腿来调整身体质心和姿态,使身体适应障碍高度,当越障行为即将完成时,伸长前腿并抬离后腿,避免触碰障碍。本文根据这种行为,设计了一种具有越障能力的多轮腿型救援机器人。

矿井救援机器人的总体结构示意图如图1所示,机器人由机体、摆臂腿机构和行走轮构成,行走轮由直流电机驱动,摆臂腿通过电推杆驱动,整车采用基于轮边电机的分布式驱动方式,控制灵活,可实现原地转向,便于在狭窄的矿井环境中执行生命探测等搜救任务。

整车基本性能参数如表1所示。为确定机器人关键结构的设计参数,针对其通过台阶的越障几何约束机理进行分析。

机器人前轮越障时,前摆臂抬起至最高位,如图2所示,根据几何关系可得:

代入上述参数值可得H=210mm>160mm,满足越障性能指标要求。

机器人后轮垂直越障过程如图3所示,根据几何约束关系可得:

式中,9为中间后轮接触过程中底盘与台阶水平夹角,θ为底盘后侧斜边与水平方向夹角,B为底盘后侧斜边与机体垂向夹角。

对式(2)、式(3)代入上述相关参数值,可得9=23.6o,B=74.1o,所以:

此时L+R=220mm>160mm,满足救援机器人越障性能需求。

综合以上分析,初选尺寸满足救援机器人设计需求。

2救援机器人机构参数优化

在煤矿救援机器人初始结构设计参数确定的基础上,为了提高越障效率,需要对摆臂腿机构参数进行优化,根据上述越障分析结论可以得到优化设计目标函数为:

轮式机器人的越障能力主要由前摆臂确定,初始摆臂姿态约束如图4所示,则有:

式(5)即为约束条件。由机器人结构可知,决策变量主要是行走轮心之间的距离L1、摆臂长度L、车轮的半径R以及车体倾角91。利用GA遗传算法设置相关参数变化范围,选择最优适应度和个体,基于MATLAB的选择过程如图5所示,经过约70代优化迭代,可确定摆臂腿的最优参数为141.9mm。

图5MATLABGA算法选择过程

3救援机器人运动学仿真

为了验证机器人的越障性能,在ADAMs中建立了台阶虚拟障碍,并根据结构设计与优化的参数建立了机器人虚拟样机模型,进行运动学仿真。机器人跨越台阶的过程如图6所示,从仿真可知,机器人可通过调整前后摆臂姿态实现质心调节,并适应障碍高度,验证了多轮腿机构的可行性。

图6跨越台阶仿真

越障过程中前后摆臂腿摆动角度的运动曲线如图7所示,曲线说明,摆臂运动规划过程为典型阶跃过程,摆动角度范围为[-759,259],说明所设计的摆动角度阈值合理。

越障过程中质心变化曲线如图8所示,从图中可知,机器人越障高度约为162mm,满足设计指标需求。

4结语

本文针对煤矿井复杂环境搜救难的问题,设计了一种仿四足轮式救援机器人,利用几何运动学约束的方法设计了机器人结构参数,利用ADAMs对机器人越障运动学性能进行了仿真分析,验证了所设计的多轮腿机构的可行性。此研究为煤矿机器人设计提出了一种新的思路。