Design and Motion Simulation of Walking Mechanism of Intelligent Mine Fire Extinguishing Robot
黄圆志 HUANG Yuan-zhi
（兰州资源环境职业技术学院，兰州 730021）
（Lanzhou Resources & Environment VOC-TECH College，Lanzhou 730021，China）
摘要：本文所设计的矿井灭火机器人行走机构是由四节履带结构组成的，使得机器人在行走的过程中增加与地面的接触面积，从而增加摩擦性，提高机器人移动的稳定性。本文主要对机器人在运动过程中经常在矿井中遇到的沟壑和台阶两种不同的障碍进行了分析，从而获得与之相对的越障极限参数。并利用Adams建立仿真模型。对该仿真模拟的分析中可以得出结论智能矿井灭火机器人可以跨越二百毫米的台阶与三百毫米宽的沟壑障碍。
Abstract: The mine fire extinguishing robot travel mechanism designed in this paper is composed of four-section crawler structure, which makes the robot increase the contact area with the ground during the walking process, thereby increasing the friction and improving the stability of the robot movement. In this paper, the two different obstacles of the gully and the step that the robot often encounters in the mine during the movement are analyzed, and the corresponding obstacle limit parameters are obtained. And Adams is used to build a simulation model. From the analysis of the simulation, it can be concluded that the intelligent mine fire extinguishing robot can span two hundred millimeter steps and three hundred millimeters wide gully obstacles.
关键词：矿井；智能灭火机器人；行走机构设计；运动仿真
Key words: mine；intelligent fire extinguishing robot；walking mechanism design；motion simulation
中图分类号：TP242；TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0189-03
0 引言
随着当下机器人技术的不断进步和完善，当下机器人有了更多的使用途径，因此现在在特殊环境中执行特殊任务的机器人也受到了欢迎，所以移动机器人正是当下使用次数最多的机器人种类。在现在的生活中特种机器人在军事作战、医学、救援以及社会的服务等方面上都有着出色的成绩，但是这样的工作环境一般来说都是比较恶劣的，机器人只有充分适应所处的环境，才能为顺利工作奠定坚实的基础。因此这样的工作环境下就要求机器人要有超高的环境适应能力和运动能力。而履带机器人正是满足了人类对机器人的这一要求，有着超高的环境适应能力和应变能力，因此有着比传统机器人更为广阔的市场前景。
因为智能矿井灭火机器人采用的是履带行走模式，抓地力更强，而且与地面的接触比压更小，在矿井中的环境复杂，因此更需要其高强度的抓地力。当下设计出的履带机器人主要有两种，一种是可变形履带机器人，一种是固定式履带机器人。像现在的雪豹20排爆机器人、地震救援移动机器人等都是固定履带式机器人，而我国科学院NEZA-I机器人就是可变形履带式机器人。李松，朱建柳，金晓怡针对可变形履带式机器人的行走方式和越障过程进行了分析，但是本人发现在这样的设计结构中机器人的稳定性和对环境的适应能力都比较差，所以本课题主要设计了一种新的行走机构[1]。
1 行走机构构型设计
如图1所示，本行走机构采用的是椭圆形的设计，利用的是椭圆形对称部分的可变化性来实现机器人的行走，该行走的模式改变了传统与地面接触面积小的缺点，增大了其接触面积，所以机器人的行走可以更加稳定。
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在图1中R指的是驱动轮的半径，而r1指的是张紧轮的半径，在圆心O的驱动下，各半径r围绕圆进行运动，驱动整个椭圆发生运动。因为在运动的过程中椭圆内部的小圆是相互联系的，四个圆始终围绕动点P1和P2进行运动，从而保证了机器人运动的稳定性。而摆臂张紧装置的主要作用是用来更好的实现越障动作，其在摆动的过程中会按照具有一定角度限制的轨迹进行，从而在保证稳定性的同时完成越障的动作。
1.1 行走机构底盘的布局
如图2，可变形履带式机器人是4节履带构成的，在每个履带的下边都有摆臂张紧的装置，在最左和最右的两个装置可以各自自由行动，由此来构成了底盘的结构[2]。
1.2 摆臂张紧机构设计
如图3所示，该装置的工作流程是驱动力从底盘箱体内产生，并且输送到主臂回旋轴上，由此使得摆臂张紧机构实现摆弄，从而保证履带的变形动作，在凸轮与凸轮滚子共同作用下，完成履带的张紧动作。
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2 越障机理分析
越障能力在一定程度上决定了机器人的性能，尤其是在环境比较恶劣的情况下，机器人的越障能力看不光决定了其工作效率，还决定了机器人的安全性。所以本次实验选择了在机器人工作过程中经常遇到的两种情况，即沟壑和台阶。
2.1 攀爬台阶分析
在机器人通过台阶的过程中，主要可以将其运动分作三个过程（图4），也就是a和b的摆臂辅助过程，c和d的机体支撑过程以及e和f的跨越过程。由此我们可以研究出机器人的质心位姿，也就是图5示意图中所表示的。根据示意图通过计算，可以得到机器人在攀爬台阶的过程中可以攀爬的最大仰角和高度。
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2.2 跨越沟壑分析
如图6所示，机器人在通过沟壑的过程中主要是三个阶段，也就是机体行进、前摆臂和后摆臂辅助阶段，这三个阶段在进行的过程中最重要的就是保证机器人的重心可以越过沟壑。所以在机器人通过沟壑的过程中，可以通过其改变其质心位姿来保证机器人跨越不同宽度的沟壑。
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3 行走机构的运动仿真
3.1 机器人虚拟样机建模
根据传统的Adams模型对其重心方向进行了改造，并对该模型针对上述的设计添加了固定的零部件，在模拟的过程中用张紧轮系统代替原有的履带设计，并且根据实际情况增加了其摩擦能力，在最后添加驱动力完成实验模型的构造[3]。
3.2 攀爬台阶运动仿真
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由实验可知，在履带式机器人装载二百千克的装备时，其翻阅沟壑所需要的最大力矩大约是5400N·m，前臂所需最大力矩是4800N·m，后臂大约在4900N·m。
4 结论
本文主要在传统可变形履带机器人的基础上对智能矿井灭火机器人进行了探索。传统的智能矿井灭火机器人使用过程中由于其受力不均匀且与地面的接触面积比较小，因此导致在智能矿井灭火机器人工作的过程中会造成适应环境能力差和稳定性不尽人意的问题。所以本文中采取了四节履带的设计结构，以此来增加智能矿井灭火机器人运动过程中与地面的接触面积，增加其重心的稳定性。对机器人摆臂张紧装置和运动模型的仿真构建分析了机器人运动的参数，希望对以后智能矿井灭火机器人的研究提供一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]李松，朱建柳，金晓怡，等.可变形履带式机器人行走机构设计及运动仿真[J].轻工机械，2018，36（1）：29-34.
[2]张霖，王忠宾，李允旺，等.基于Creo的摇杆式变形履带机器人移动平台的分析与仿真[J].机械设计与研究，2012，28（4）：34-37.
[3]李智卿，马书根，李斌，等.具有自适应能力轮-履复合变形移动机器人的开发[J].机械工程学报，2011，47（5）：1-10. |
