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前言
畢業(yè)實習(xí)是我們機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中不可缺少的組成部分，并作為一個獨立的項目列入專業(yè)教學(xué)計劃中的。其目的在于通過實習(xí)使我們獲得基本生產(chǎn)的感性知識，理論聯(lián)系實際，擴大知識面；了解這些工廠的生產(chǎn)情況，與本專業(yè)有關(guān)的各種知識，各廠工人的工作情況等等。親身感受了所學(xué)知識與實際的應(yīng)用；同時畢業(yè)實習(xí)又是鍛煉和培養(yǎng)我們業(yè)務(wù)能力及素質(zhì)的重要渠道，培養(yǎng)當代大學(xué)生具有吃苦耐勞的精神，也是我們接觸社會、了解產(chǎn)業(yè)狀況、了解國情的一個重要途徑，逐步實現(xiàn)由學(xué)生到社會的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)我們初步擔(dān)任技術(shù)工作的能力、初步了解企業(yè)管理的基本方法和技能；體驗企業(yè)工作的內(nèi)容和方法。這些實際知識，對我們學(xué)習(xí)后面的課程乃至以后的工作，都是十分必要的基礎(chǔ)。
1．實習(xí)目的和意義
隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，對煤炭的需求量在逐年增加，但由于煤炭生產(chǎn)多是在井下作業(yè)，井下環(huán)境惡劣、條件復(fù)雜、災(zāi)害嚴重，時刻受到水、火、瓦斯、煤塵的威脅，煤礦事故時有發(fā)生，因此礦井是最迫切需要機器人的地方。煤礦井下搜救機器人的越障能力是其能否發(fā)揮作用的重要因素，本文首先提出了機器人總體設(shè)計方案，然后從運動學(xué)角度分析了機器人克服臺階、溝槽、斜坡等典型障礙的運動機理及其最大越障能力并建立數(shù)學(xué)模型給出奇異位置，為確定機器人在煤礦井下復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力提供理論依據(jù)。
考慮到礦井自然條件差，加上技術(shù)和管理等諸多方面不到位，以及近年來國家對煤炭資源需求量的不斷增長，使得我國煤礦礦井災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重，災(zāi)害后的救援工作又是極為困難和危險,因此研發(fā)具有環(huán)境探測和搜救功能的煤礦救災(zāi)機器人十分必要。在救援初期,主要使用災(zāi)后救災(zāi)機器人,其主要作用是代替礦山救護人員進入災(zāi)區(qū),進行環(huán)境探測,并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至救援指揮中心,這些環(huán)境信息主要包括瓦斯、CO、氧氣的濃度,環(huán)境溫度、濕度與粉塵情況,以及災(zāi)區(qū)的通風(fēng)狀況的參數(shù),還應(yīng)包括生命和圖像等信息,為救災(zāi)決策提供重要參考
由于煤礦災(zāi)害尤其是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后,礦井環(huán)境十分復(fù)雜,井下因災(zāi)受傷人員面臨極其危險的狀況,需盡快地轉(zhuǎn)移與救護;而救援工作異常困難和危險,往往在救援工作中造成救護人員的傷亡。研發(fā)代替或部分代替救護人員及時、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進行環(huán)境探測和搜救工作的救災(zāi)機器人具有極其重要的意義。
2．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1國外研究狀況：
目前，在救災(zāi)機器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機動、高可靠性移動載體研究方面。如美國移動機器人(TMR)計劃中的便攜式機器人系統(tǒng)(MPRS)．該類機器人主要用于城市戰(zhàn)斗與搜救。如美國智能系統(tǒng)和機器人中心開發(fā)的RATLER礦井探索機器人用于災(zāi)難后的現(xiàn)場偵查工作，采用電傳遙控方式，有主動紅外攝像機、無線射頻信號收發(fā)器、陀螺儀和危險氣體傳感器等裝備。無線遙控距離約76 米。美國南佛羅里達大學(xué)研制的Simbot礦井搜索機器人,小巧靈活，攜帶數(shù)字低照度攝像機和基本氣體監(jiān)視組件，可以通過一個鉆出的小洞鉆進礦井，越過碎石和爛泥，并使用其攜帶的傳感器發(fā)現(xiàn)受害礦工，探測氧氣、甲烷氣體含量，生成礦井地圖。
下圖為美國及其它國家在研的各種履帶式可變形機器人：
如圖2-1,2-2所示，這是美國iRobot的一種較小型“PackBot”機器人，現(xiàn)服役于美國軍隊，這個“PackBot”搭配了一個爆炸物感應(yīng)系統(tǒng)，有效地探測炸彈。目前這種測試系統(tǒng)還處于實驗階段?！癙ackBot”機器人還以進行挖掘和拆彈工作。配備了稱為“explosive ordnance disposal”(eod)和工程師的全套工具，可以對土壤進行挖掘，然后舉起相當于自身重量2倍的炸彈。
圖2-2這種iRobot SUGV的機器人是一種小型地面探測車，重量僅為30磅。它帶有一個稱為“tactical head”的頭部，還有一個相機、一個紅外感應(yīng)器和一個可即時傳送影像的攝像頭。
圖2-1 RackBot準備展開
圖2-2 SUGV機器人
Foster-miller公司研制了Talon機器人，該機器人采用履帶方式行進，內(nèi)部裝備有兩臺普通直流電機，電機通過兩根鏈條帶動履帶輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機器人運動；另外機器人前后履帶輪中間安裝有一小型承重輪，該輪不僅能承載一部分負荷同時也能在機器人轉(zhuǎn)向時起到支撐作用，減少履帶與地面之間的摩擦，提高機器人轉(zhuǎn)向能力。Talon機器人可以完成各種偵察、巡邏工作。機器人外形參數(shù)尺寸為86.4cm×57.2cm×27.9 cm，重約39Kg，能潛水30.5m，爬45度斜坡。
圖2-3 Talon機器人
2003年，澳大利亞SIMTARS煤礦研究人員與美國機器人輔助救援中心(CRASAR)合作，開發(fā)了一個煤礦災(zāi)害搜救機器人，并在澳大利亞昆士蘭州的15米地下訓(xùn)練場進行了試驗。這個機器人專門是為礦山災(zāi)害而研制。它的尺寸大小像一個蜂蜜罐子，它可以通過地面的鉆孔進入煤礦井下然后爬過障礙物和泥漿，利用傳感器搜尋被困礦工，探測有毒或者可燃性氣體，還可以將地面供氣供水軟管拖到被困礦工身邊，給他們新鮮的空氣和水。這種機器人在通過鉆孔時像一條蛇一樣將自己擠過巖石，一旦到達井下地面，就會像一個小型坦克一樣行動，搜尋被困礦工。CRASAR希望能夠進一步為該機器人添加新型的醫(yī)學(xué)傳感器，讓救援義務(wù)人員能夠通過觀看、交談、診斷的方式來了解被困礦工的健康狀況。
Inuktun公司推出的UGTV機器人具有獨特履帶可變形功能(如圖2-4所示)，可以輔助攀爬和擴大機器人視野，曾在“911”事件的搜救任務(wù)中大顯身手；加拿大Sherbrook大學(xué)研制的AZIMUT機器人(如圖2-5所示)，該機器人采用輪、履、腿復(fù)合移動機構(gòu)，具有四個履腿模塊，每個履腿模塊與本體相連接時有3個自由度，機器人運動功能多樣，越障能力強，上下臺階方便；但結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，僅電機就有12個，運動控制困難，該機器入主要用于室內(nèi)環(huán)境執(zhí)行反恐、排爆任務(wù)。
圖2-4 UGTV機器人 圖2-5 AZIMUT機器人
僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機器人，現(xiàn)在2006年的新一代機器人已經(jīng)上市了，其結(jié)構(gòu)比以前的更加輕便，體積更小。這款機器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機器人一樣的功能。
這款機器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)從而有了一些與大型機器人類似的功能，所以它小得以至于可以在地鐵車廂或者飛行工具里操作，同時又足夠大得可以直接處理一些在所有現(xiàn)行飛機的頭頂貯藏室里的可疑項目處理。
圖2-6 telemax
這款產(chǎn)品具有很大的創(chuàng)新價值，經(jīng)過數(shù)十年經(jīng)驗的累計取得了變結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的重大發(fā)展。
圖2-7 telemax行走姿勢
它的機械結(jié)構(gòu)由4個獨立履帶齒輪驅(qū)動技術(shù)提供了非凡的移動力，它可以爬坡45度，并且可以越障500mm的高度，它做的比其它很多類似機器人都好，它的可伸展的上臂加上一個高度可調(diào)的地盤，給予了這款機器人一個可達到的非凡的垂直高度2350mm。它的鉗子可以吊起重達5Kg的貨物，這就意味著它可以裝配彈道系統(tǒng)和其它工具。
圖2-8 telemax防爆機器人
2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國的搜救機器人技術(shù)起步較晚，但是近年來引起了越來越多的關(guān)注并取得了一定的成果，沈陽自動化研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、廣東富衛(wèi)公司等機構(gòu)都設(shè)計了自己的搜救機器人系統(tǒng)。2005年中科院沈陽自動化研究所與日本國際救援系統(tǒng)研究院聯(lián)合成立的中日救援與安全機器人技術(shù)研究中心，在沈陽揭牌成立，這標志著我國的搜救機器人研究進入了一個更加快速發(fā)展的時期。
2006年6月22日，由中國礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機器人研究所研制的國內(nèi)首臺煤礦搜救機器人(樣機)在徐州誕生（如圖2-9所示）。這臺煤礦搜救機器人采用自主避障和遙控引導(dǎo)相結(jié)合的行走控制方式，能在煤礦災(zāi)害發(fā)生后深入事故現(xiàn)場，探測火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛?、?zāi)害場景、呼救聲訊等信息，并實時回傳采集到的信息和圖像，為救災(zāi)指揮人員提供重要的災(zāi)害信息。同時，機器人還能攜帶急救藥品、生命維持液、食品和千斤頂、撬棍等自救工具以協(xié)助被困人員實施自救和逃生。
圖2-9CUMT-1型礦井搜救機器人
3． 履帶式移動機與其它行走機構(gòu)之間的對比
3.1履帶式移動機構(gòu)特點
履帶式移動機構(gòu)分為l條履帶、2條履帶(履帶可車體左右布置或者車體前后布置)、3條履帶、4條履帶．6條履帶，移動方式優(yōu)點在于機動性能好、越野性能強，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機械效率低，在自身重量比較大的情況下會對路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動機構(gòu)比較輪式移動機構(gòu)有以下幾個特點：
(1)撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好：
(2)越野機動往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)；
(3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好；
(4)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件易損壞。
3.2履、腿式移動機構(gòu)特點
履腿復(fù)合移動機構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動機構(gòu)的優(yōu)勢，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機構(gòu)無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機構(gòu)往往是兩條履帶與車身相對固定，很大程度上限制了機器人地形適應(yīng)能力(此時機器人履帶高度和長度直接決定了機器人越障、跨溝等性能)，為了解決該問題履式移動系統(tǒng)中引入了關(guān)節(jié)履帶機構(gòu)，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動，這樣能大大提高機器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動控制困難等。
(1)腿式機器人的地形適應(yīng)能力強。腿式機器人運動軌跡由一系列離散點組成，崎
嶇地形可以給這些離散點提供支撐，使機器人平穩(wěn)運動；而輪式和履帶式機器人的運動是連續(xù)規(guī)跡，有些起伏較大的地形則不支持這種連續(xù)運動軌跡，進而限制了該類機器人活動范圍。
(2)腿式機器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調(diào)節(jié)腿的長度可
以控制機器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高；
(3)腿式機器人的身體與地面分離，這種機械結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動機器人特點是穩(wěn)定性好，越野能力強。
腿式移動機構(gòu)缺點有：(1)該類機器人的移動速度慢，機動性較差．因此機器人的負載不能太重；(2)腿式機器入對地面適應(yīng)性和運動靈活性需要進一步提高；(3)腿式機器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善；(4)該機構(gòu)未進入實用化階段。
3.3輪、履、腿式移動機構(gòu)性能比較
車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表3-1所示。
移動機構(gòu)方式
輪式
履帶式
腿式
移動速度
快
較快
慢
越障能力
差
一般
好
機構(gòu)復(fù)雜程度
簡單
一般
復(fù)雜
能耗量
小
較小
大
機構(gòu)控制難易程度
易
一般
復(fù)雜
表3-1典型移動機構(gòu)的性能對比表
4．煤礦井下搜救機器人總體設(shè)計及越障分析
由于煤礦井下環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性煤礦井下搜救機器人的總體設(shè)計須滿足適合井下復(fù)雜地形、防爆、防碰撞等要求，同時所載的子系統(tǒng)安裝、使用要方便。
在地面移動機器人家族中，履帶機器人具有很強的地形適應(yīng)性，能夠適應(yīng)惡劣的路面條件，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但普通的履帶移動移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運動慣性大，減震性能差，零件易損壞。為克服普通履帶式移動機構(gòu)的缺點，給煤礦井下搜救機器人履帶式移動機構(gòu)加裝前擺。機器人加裝前擺臂的優(yōu)點：機器人重心將前移，實現(xiàn)機器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實現(xiàn)機器人傾翻后自復(fù)位。為提高其地形適應(yīng)性，前擺臂兩個擺臂關(guān)節(jié)單獨控制和單獨驅(qū)動。
總體設(shè)計方案如圖4-1所示。采用后輪驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，可實現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向。擺臂電動機驅(qū)動擺臂可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，提高機器人跨越溝槽和爬越臺階的越障的能力和翻轉(zhuǎn)后自復(fù)位的功能。
1-后輪驅(qū)動電機及其組件 2-擺臂電機及其組件 3-主履帶 4-擺臂履帶 5-齒輪
圖4-1煤礦井下搜救機器人總體方案
4.1越障分析
4.1.1跨越臺階
（1）越障機理分析
當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地平面之間的夾角將隨時間而逐漸增加，其重心越過臺階的支撐點時，機器人就跨過了臺階，完成爬越動作。
（2）越障過程分析
煤礦井下搜救機器人爬越臺階的過程如圖2所示，機器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機構(gòu)的驅(qū)動下，使其主履帶前端搭靠在臺階的支撐點上，機器人繼續(xù)移動，驅(qū)動擺臂逆時針擺動，當機器人重心線越過臺階邊緣時，旋轉(zhuǎn)擺臂關(guān)節(jié)，機器人在自身重力影響下，車體下移。機器人成功地爬越臺階。
圖4-2機器人爬越臺階過程
由運動過程可以看出，機器人在越障第三階段圖4-2（C）重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。
圖4-3機器人上臺階臨界狀態(tài)示意圖
由圖4-3所示幾何關(guān)系可得：
（1）
變換式（1）可得：
（2）
（3）
利用式（3）求出，代入式（2）可算出機器人跨越障礙的最大高度。
4.1.2跨越溝槽
（1）越障機理分析
對于小于機器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機器人重心在機器人車體內(nèi)，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過了溝槽，完成了跨越動作。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當溝槽大于中心距時，履帶式機器人可以看做爬越凸臺障礙。
（2）越障分析
履帶式移動機器人跨越溝槽時，機器人重心不斷向前移動，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機器人重心在以r為半徑的圓內(nèi)[2]，由于擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)[3]。
圖4-4跨越溝槽示意圖
機器人在平地圖4-4（a）跨越溝槽的寬度：
（4）
在角度為的斜坡圖4-4(b)上跨越溝槽的寬度：
（5）
4.2斜坡運動分析
機器人在斜坡上運動時，其受力情況如圖4-5所示，機器人勻速行駛或靜止時，其驅(qū)動力： （6）
圖4-5機器人上坡受力示意圖
最大靜摩擦力系數(shù)為，則最大靜摩擦力為： （7）
當時，機器人能平穩(wěn)行駛。
當時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。
已知煤礦井下機器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù)，則機器人爬越的最大坡度為: （8）
爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：
（9）
通過上述分析，可以根據(jù)機器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。
5．設(shè)計性能及指標
如圖5-1
L1=950mm,L2=450mm,R=225mm,r=100mm,B(車體寬度)=750mm
車體質(zhì)量為80kg,每個擺臂質(zhì)量為5kg,機器人做直線運動最大速度等于2.5m/s,自備電源運行時間大于等于4小時。
6．履帶式搜救機器人的發(fā)展趨勢
目前便攜式、履帶機器人在民用領(lǐng)域主要用途是安全監(jiān)視、反恐、排爆、消防、搜救；在軍事領(lǐng)域主要用途是洞穴、建筑物勘測、掃雷、破障、生化戰(zhàn)劑探測等；但這還遠不能滿足目前日益增長的生產(chǎn)、生活需求和軍事需求，正因為如此，世界各國開始積極拓展小型履帶式機器人的使用范圍，包括將便攜式履帶機器人用于家庭服務(wù)、科學(xué)考察、充當旅行助手或者是在戰(zhàn)爭中用于目標指示、火力發(fā)射、戰(zhàn)術(shù)運輸、通信中繼等。
通過對國內(nèi)外履帶式搜救機器人的現(xiàn)狀的分析，可以看出履帶式搜救機器人今后的發(fā)展有以下幾個方面的趨勢：
（1）結(jié)構(gòu)上，趨向小型、微型。
（2）運動上，趨向全方位，更靈活，更具自主性。現(xiàn)有的履帶移動機器人，局限在一般的地面環(huán)境里，以后會要求機器人能在越來越多的環(huán)境中實現(xiàn)多維運動、過渡運動，能夠?qū)Νh(huán)境進行識別，能適應(yīng)未知環(huán)境。
（3）在用途上，趨向于功能多功能化。比如拓展其應(yīng)用到軍事上，用于軍事偵察，甚至于軍事攻擊。
7．實習(xí)小結(jié)
通過本次畢業(yè)實習(xí)，使我對國內(nèi)外的機器人發(fā)展有了更加深刻的了解，開闊了視野。使我對以往所學(xué)的知識有了更進一步的鞏固，對以前沒接觸過的知識有了深刻地了解，讓我對所設(shè)計的課程的具體結(jié)構(gòu)有了深入認識。同時，我也對現(xiàn)代加工方法有了一定的認識，與傳統(tǒng)的加工方法相比，提高了加工生產(chǎn)效率，大大減少了勞動力，減輕了勞動工人的作業(yè)強度。也讓我們真正認識到科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力的重要性。同時，我們也認識了機械方面的先進技術(shù)和高科技領(lǐng)域，使我們以后從事機械方面的發(fā)展有了新的認識。
最后我要感謝畢業(yè)實習(xí)指導(dǎo)老師鄧老師，在此次實習(xí)過程中鄧老師給了我很多幫助，也感謝我們畢業(yè)設(shè)計同組的同學(xué)們，在此次實習(xí)中他們也給予了我很多幫助，謝謝！
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