摘要：本文首先探討了機器人進行救援或輔助救援的應(yīng)用策略與應(yīng)具備的功能，對需克服的非結(jié)構(gòu)化地形環(huán)境進行研究，對其特征進行并提取與和簡化地形特征，提出了煤礦救災(zāi)機器人機械系統(tǒng)的性能要求與指標，采用分形插值與三次樣條插值運算的方法模擬了三維真實地形，有利于其機械系統(tǒng)的動力學(xué)仿真與優(yōu)化。采用四履帶雙擺臂式行走機構(gòu)設(shè)計了煤礦救災(zāi)機器人，并對其實際應(yīng)用分析。

關(guān)鍵字：礦井救災(zāi)機器人；特征提取；非結(jié)構(gòu)地形；四履帶雙擺臂式

1 引言doubleswingarmtype

我國的煤炭資源十分豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國。在我國的能源工業(yè)中，煤炭占我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中的70％左右，當前，我國經(jīng)濟的快速增長，對煤炭工業(yè)發(fā)展提出了更高的要求。

近年來，我國煤礦事故頻發(fā)。事故中，火災(zāi)和爆炸相關(guān)的事故又占了相當大的比例，而礦井下引起火災(zāi)和爆炸的主要物質(zhì)是瓦斯和粉塵。煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，影響煤礦安全生產(chǎn)的因素多，是造成事故的客觀因素。我國煤礦開采的煤層大多瓦斯含量大、透氣性低且地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不易在開采前抽放瓦斯，大中型煤礦中，高瓦斯礦井占20.34%，瓦斯突出礦井占19.77%。小型煤礦中，高瓦斯礦井占15%左右[4]。礦井一旦發(fā)生瓦斯爆炸事故，井下人員及財產(chǎn)處于極度危險境地，必須盡快組織搶救，在煤礦救護過程中，由于指揮不當、違章作業(yè)、設(shè)備局限以及二次爆炸等原因造成救護人員傷亡的事故也時常發(fā)生。

綜上所述，由于我國煤礦的地質(zhì)特點和一些管理因素，礦難頻發(fā)。礦難發(fā)生后，救護隊員需冒險深入災(zāi)區(qū)進行探險、救護遇險人員等災(zāi)害處理工作。而發(fā)生災(zāi)害后，進行井下救護與災(zāi)害處理的危險性很高。迫切需要研發(fā)替代或部分替代救險隊員進入礦井災(zāi)害現(xiàn)場進行環(huán)境探測和完成搜救任務(wù)的煤礦救災(zāi)機器人。所以，開展煤礦救災(zāi)機器人的研究對煤礦安全生產(chǎn)、災(zāi)害救護具有重大的現(xiàn)實意義與社會意義，并建立特種危險環(huán)境下的工業(yè)救災(zāi)體系具有十分重要的意義。

2 井下非結(jié)構(gòu)地形建模

2.1煤礦救災(zāi)機器人的救援策略

瓦斯爆炸波及范圍廣、破壞程度大，造成人員傷亡多，而且災(zāi)害處理具有很大的難度和危險性，在搶險救災(zāi)的初期，受災(zāi)區(qū)域具體范圍、爆源位置、瓦斯與CO濃度、巷道破壞情況均幾乎一無所知，搶險救護人員面臨著二次爆炸、CO中毒、頂板隨時冒落的危險，以及高溫的威脅。機器人可以在救護人員之前進入災(zāi)區(qū)，探測并傳回災(zāi)區(qū)環(huán)境信息。煤礦救災(zāi)機器人參與救援的救援策略進行如下：

(1)切斷災(zāi)區(qū)電源，通知礦山救護隊，迅速成立救災(zāi)指揮部，嚴格按照災(zāi)害預(yù)防處理計劃的要求，設(shè)立若干搶救組各行其責。

(2)體確定災(zāi)區(qū)范圍，在盡量靠近災(zāi)區(qū)的安全位置建立井下救災(zāi)指揮中心，并保證井上、井下指揮中心的通訊通暢。井下救災(zāi)指揮中心的位置應(yīng)該滿足通風(fēng)正常、瓦斯與CO濃度在安全范圍之內(nèi)，又可以阻擋瓦斯二次爆炸的沖擊波。

(3)搶險救護人員攜帶必備的救護設(shè)備及救災(zāi)機器人以井下救災(zāi)指揮中心為基地，向災(zāi)區(qū)推進。救災(zāi)機器人可以作為搶險救災(zāi)人員的先行軍進入災(zāi)區(qū)巷道，檢測巷道內(nèi)的瓦斯與CO濃度、溫度等環(huán)境信息。

(4)利用多臺煤礦救災(zāi)機器人對災(zāi)區(qū)核心區(qū)域的可疑巷道和工作面同時進行探測。

2.2煤礦井下非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境特征提取與簡化

煤礦井下地形環(huán)境為一種特殊的非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境，井下巷道布局、軌道與人行道建造、設(shè)備布置是根據(jù)煤礦地質(zhì)特點與煤炭生產(chǎn)的需要，按照一定標準設(shè)計、建設(shè)與安裝的。因此，煤礦井下存在著一些固定形狀與結(jié)構(gòu)的特定地形，如道床與鋼軌等。移動機器人活動的地形環(huán)境及活動長度是機器人機械系統(tǒng)設(shè)計的初始條件，決定了煤礦救災(zāi)機器人機械性能指標，也進一步?jīng)Q定了機器人行走機構(gòu)形式的選擇、尺寸的確定。建立符合煤礦井下特征的實際模型用于機器人仿真；并根據(jù)煤礦災(zāi)區(qū)的調(diào)研情況，確立井下一定程度的非結(jié)構(gòu)的地形環(huán)境，并進行計算機模擬。

巷道斷面包括機巷道的斷面形狀、寬度尺寸與高度尺寸。決定機器人的寬度尺寸的選擇。拱形雙軌巷道凈寬度按下式計算。

B=a+2A1+C+t≥2.4m(2-1)

式中，B為巷道凈寬度，指直端內(nèi)側(cè)的水平距離，a為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的非行人側(cè)的寬度，a≥0.3m；當巷道內(nèi)安設(shè)輸送機時，輸送機距支護或碹墻最突出部分之間的距離，a≥0.5m。A1為輸送設(shè)備的最大寬度。C為《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，人行道的寬度，從巷道道碴面起1.6m的高度內(nèi)，C≥0.8m，在人行停車地點C≥1.0m，在1.6m至1.8m之間不得架設(shè)管、線和電纜。

圖1軌道斷面

2.3三維特征地形與真實地形的計算機建模

對煤礦井下的地形環(huán)境的尺寸參數(shù)的調(diào)研與地形特征的提取與簡化，采用三維制圖軟件，對其三維特征地形進行建模。煤礦井下獨立臺階的高度多在250mm以下，人連續(xù)臺階的高度h一般取值150~180mm，臺階跨度b一般取值220~350mm，臺階寬度B一般取值

600~1200mm，連續(xù)臺階的坡度與巷道坡度常常一致，一般在8~15°之間。根據(jù)簡化的特征地形與煤礦井下參見地形的尺寸，對三維特征地形進行了建模。如圖2為其中的一個三維特征地形，此三維模型包括四大部分，包括凸臺區(qū)、臺階區(qū)、溝道區(qū)和斜坡區(qū)。

圖2 三維特征地形

2.3三維真實地形的計算機模擬與仿真

對煤礦井下非結(jié)構(gòu)地形進行特征提取與簡化，有利于對機器人虛擬樣機進行特征障礙地形的越障運動的模擬與仿真。

2.3.1復(fù)雜地面的樣條插值仿真

數(shù)字高程模型DEM是對地面環(huán)境的地形地貌的一種離散的數(shù)字表示形式，用格網(wǎng)點的高斯坐標（x，y）及其相對應(yīng)的高程Z來表示的[5][7]。地形的三維顯示首先要獲取DEM數(shù)據(jù)，對于小面積的地面，可采用三維激光掃描儀獲取其DEM數(shù)據(jù)。由于客觀條件的限制，往往不能取得足夠的采樣點來滿足顯示和模擬的需要，因此，需要進行內(nèi)插以生成更多的點。常用的插值方法有反距離權(quán)重插值（Inverse Distance Weighted）、雙線性插值（Bilinear Interpolation）、趨勢面插值（Trend Surface Interpolation）、樣條插值（Spline Interpolation）等。MATLAB里提供了二維插值指令，其函數(shù)格式為：Z=interp2(x,y,z,X,Y,’method’)。樣條插值的精度要高于線性插值和立方插值，在實際應(yīng)用中最為廣泛。因此，在二維插值運算選擇了三次樣條插值法。

選擇一段3500×3600mm面積的起伏地形，采用一組單格為250×300mm的垂直正交的網(wǎng)格，測量每一網(wǎng)格交點上的高度，獲得該地形的一組規(guī)則的二維矩陣高程值。數(shù)據(jù)進行三次樣條插值運輸，插值點構(gòu)成的新的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)X、Y的間隔分別為30mm、60mm。插值運算后，生成的三維曲面圖如圖3所示。

圖3 采用原始數(shù)據(jù)樣條插值后生成的曲面

3礦井救災(zāi)機器人的機械系統(tǒng)與行走機構(gòu)構(gòu)型研究

3.1行走機構(gòu)構(gòu)型研究

履帶式行走機構(gòu)是輪式行走機構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。常見的履帶式行走機構(gòu)為方形履帶，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，該行走機構(gòu)由懸架、驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、承重輪、托帶輪與履帶等部分組成，其驅(qū)動輪及導(dǎo)向輪兼作支撐輪（承重輪），支撐地面的面積大，穩(wěn)定性好。

圖4 方形履帶式行走機構(gòu)

四履帶雙擺臂履帶機器人的越障機理

圖5 機器人的質(zhì)心軌跡

建立圖5所示的以機器人后履帶輪軸心為坐標原點的坐標系xo₁y，設(shè)機器人主履帶部分前后兩履帶O₁O₂的間距為l₀，主體部分質(zhì)量為m₁，質(zhì)心G₁的坐標為 (l₁ ,h₁)，在攀越典型障礙時，需兩擺臂同步擺動，因此設(shè)兩擺臂的質(zhì)量為m₂，質(zhì)心為G₂，處于擺臂中心線O₂O₃上，距離前履帶輪軸心O₂的長度為l₂，設(shè)擺臂兩履帶輪軸心的間距為l₃，擺臂的擺角為θ，且θ∈[0,2π]，設(shè)主體履帶輪半徑為R，擺臂前履帶輪半徑為r，均含履帶厚度，機器人寬度為b，則機器人的質(zhì)心(x_G, y_G)的坐標為擺臂履帶機器人的質(zhì)心滿足以下關(guān)系

擺臂履帶機器人的質(zhì)心滿足以下關(guān)系：

機器人的質(zhì)心隨著擺臂擺角θ的變化的軌跡是以

為圓心O，以

 為半徑的圓。

四履帶雙擺臂機器人正向攀越臺階的過程如圖6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外角線上，機器人繼續(xù)移動，驅(qū)動擺臂順時針擺動，當機器人重心線越過臺階外角線時，機器人以該外角線為支線向臺階上平面翻轉(zhuǎn)，則機器人成功的攀越臺階。

圖6 機器人正向攀爬臺階的過程

一旦機器人主履帶搭靠在臺階外角線上，根據(jù)臺階高度，將有3種攀爬方法：

其一，主履帶與擺臂履帶成一條線，采用類似固定履帶的攀爬方式，靠機器人的重心線越過外角線，翻轉(zhuǎn)至臺階上部平臺，此過程如圖4-18A所示。此時機器人履帶總長度為

其二，當臺階的高度小于或等于擺臂的長度（H ≤l₃ +r-R）時，轉(zhuǎn)動擺臂，可保證機器人擺臂不離地的情況下，機器人主車體平穩(wěn)地放平在臺階的上部平臺。當機器人主車體平放在臺階的上部平臺后，機器人運動保證機器人質(zhì)心移動過臺階外角線，機器人攀越臺階成功，如圖

所示。這種攀越方式，機器人越障平穩(wěn)，不會受到跌落沖擊。 其三，當臺階的高度大于擺臂的長度（3H >l +r -R）時，可借助擺臂轉(zhuǎn)動，使機器人質(zhì)心向臺階外角線靠近并越過臺階外角線，完成攀越臺階的動作。 機器人跨越臺階的高度H與θ、β具有以下關(guān)系：

H的最大值H_max即為機器人反向攀爬臺階是的臺階高度的最大值。H對θ求偏導(dǎo)等于0，

在攀爬臺階的時候，當擺臂的擺角θ與機器人主體的傾角β取上面關(guān)系式時，H存在最大值。當機器人擺臂的質(zhì)量較小，對機器人的質(zhì)心位置影響較小，可忽略時，擺臂處于豎直位置，即時，H有最大值。

4結(jié)論

本文根據(jù)煤礦井下尤其是發(fā)生瓦斯、煤塵爆炸事故后的非結(jié)構(gòu)化的地形環(huán)境和爆炸性氣體環(huán)境，災(zāi)難發(fā)生后，現(xiàn)場環(huán)境非常復(fù)雜危險，決策者和救援人員由于缺少信息無法及時做出決策和判斷，導(dǎo)致許多被困人員因救援不及時而喪生。因此，為順利開展救援工作，減少人員傷亡，研究替代或部分替代救援人員進入災(zāi)難現(xiàn)場進行環(huán)境探測的搜索機器人具有重要的現(xiàn)實意義。本文以災(zāi)難救援為研究背景，研制了一種多節(jié)履帶式搜索機器人機械系統(tǒng)，并開展了搜索機器人動力學(xué)分析跨越障策略等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

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