液压驱动煤矿救援机器人优化设计

肖雄亮，方月娥

（1.湖南信息学院电子信息学院，湖南 长沙 410151；2.湖南水利水电职业技术学院电力工程系，湖南 长沙 410131）

1 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[1]。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[2]，但履带行走速度低，一定程度上会降低矿井救援作业效率；文献[3]提出了一种六轮可变形救援机器人，具有良好的运动灵活性和越障性能，但铰接构型载荷能力较弱，而煤矿救援机器人需要搭载多种传感器和救援载荷[4]。仿生机器人是模拟生物行为的机械结构，可实现对环境的自适应，文献[5-8]分别提出了仿尺蠖、仿蚯蚓、仿马机器人等构型，具备良好的地形适应性。

在研究了多腿动物行走行为的基础上，提出了一种具有轮腿结构的救援机器人，通过控制摆腿的动作可以实现姿态变换，适应矿井复杂地形环境。机器人主车体可搭载多种载荷，满足矿井救援环境检测作业需求。液压驱动行驶可提供大扭矩动作，具有良好的机动性。

2 救援机器人结构设计

2.1 仿生设计概念

多腿动物能够通过调整腿部步态实现行走、跳跃等动作，能够在崎岖的地形上稳定行走。通过抬离前腿和伸长后腿来调整身体质心，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。根据这种行为，设计了一种具有越障能力的多轮腿式救援机器人，如图1所示。

图1 多腿动物越障行为Fig.1 Horse’s Obstacle Surmounting Behavior

2.2 结构参数设计

救援机器人的总体结构示意图，如图2所示。机器人由机体、摆腿机构和行走轮构成，行走轮由马达驱动，摆动腿通过摆动马达驱动，整车采用分布式驱动方式，控制灵活，便于在狭窄的矿井环境中执行生命探测等搜救任务。

图2 救援机器人结构示意图Fig.2 Rescue Robot Structure Diagram

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，针对其在壕沟和台阶的越障几何约束机理进行分析。

表1 救援机器人基本性能参数Tab.1 Rescue Robot Performance Parameter

机器人通过壕沟的几何运动学模型，如图3所示。

图3 机器人跨越壕沟几何模型Fig.3 Geometry Model of Crossing Moat

根据几何关系可得：

式中：Smax—壕沟宽度；

L—摆臂长度；

R—车轮半径；

L1、h—摆臂旋转轴心到行走轮轮心的水平和垂直距离。

根据设计要求，摆臂旋转轴心到机体上端的高度为40mm，前后摆臂旋转中心距为620mm。因此可得：

其中壕沟宽度Smax≥300，根据几何原理可得L的取值范围为［120，150］，所以初选摆臂长度L=140mm。机器人前轮越障时，前摆臂抬起至最高位，如图4所示。

图4 机器人前轮越障示意图Fig.4 Diagram of Front Wheel Obstacle Surmounting

根据几何关系可得：

式中：H—障碍高度。

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5所示。

图5 机器人后轮越障示意图Fig.5 Diagram of Rear Wheel Obstacle Surmounting

根据几何约束关系可得：

式中：φ—中间后轮接触过程中底盘与台阶水平夹角；

θ—底盘后侧斜边与水平方向夹角；

β—底盘后侧斜边与机体垂向夹角。

对式（3）～式（4）代入上述相关参数值，可得 φ=23.6°，β=74.1°所以：φ+β＞90°，sinθ＜0。

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。

3 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，根据前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6所示。

图6 初始摆臂越障姿态约束Fig.6 Initial Swing-arm Surmounting Posture

式中：L1—行走轮心之间的距离；L—摆臂长度；R—车轮半径；θ1—车体倾角。

式（6）即为优化约束条件。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7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7 MATLAB GA算法选择过程Fig.7 MATLAB Genetic Algorithm Choosing Process

4 质心运动分析

为了说明摆臂运动对机器人质心的影响性能，建立了机器人的质心运动模型，如图8所示。

图8 质心运动模型Fig.8 Centroid Movement Model

以中后轮心为原点建立坐标系，则可得到机器人本体、前后摆臂的坐标分别为：

代入相关参数值，利用MATLAB数值仿真可得机器人质心轨迹可行域，如图9所示。从图中可知，摆臂运动对机器人的质心位置具有明显影响，验证了利用四足仿生摆臂腿机构进行姿态调节的可行性，机器人最大质心变化范围约为200mm，该范围内能够满足机器人的越障设计指标需求。

图9 机器人质心轨迹Fig.9 Robot Centroid Trajectory

5 救援机器人运动学仿真

为了验证救援机器人的越障运动学性能，在ADAMS中建立了台阶、壕沟等虚拟障碍环境，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。在野外场地垂直台阶进行了摆臂姿态实验。

5.1 台阶越障仿真

机器人跨越台阶的过程，如图10所示。从仿真可知，机器人可通过调整前后摆臂位置姿态实现整车质心调节，并适应障碍高度，验证了多轮腿机构的可行性。

图10 跨越台阶仿真Fig.10 Crossing Step Simulation

越障过程中前后摆臂腿摆动角度的运动曲线，如图11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［-75°，25°］，说明所设计的摆动角度阈值合理。

图11 越障摆臂摆角变化曲线Fig.11 Swing-Arm Changing Curve

越障过程中质心变化曲线，如图12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。

图12 机器人越障质心变化曲线Fig.12 Robot Obstacle Surmounting Centroid Curve

5.2 跨越壕沟仿真

机器人跨越300mm壕沟仿真过程，如图13、图14所示。从图14的摆臂扭矩曲线可知，当前轮、中轮、后轮依次触碰壕沟边缘时，均对摆臂的扭矩输出稳定性产生影响，但当越障完成后逐步趋于稳定，仿真表明机器人能够通过300mm壕沟。

图13 跨越壕沟仿真Fig.13 Crossing Moat Simulation

图14 跨越壕沟过程摆臂扭矩曲线Fig.14 Swing-Arm Torque for Crossing Moat

6 结语

针对煤矿井复杂环境搜救问题设计了一种多摆腿式救援机器人，利用运动学约束的方法设计了机器人结构参数，并利用GA算法对摆臂腿机构进行了优化；建立了机器人的质心运动模型，并分析了摆臂运动对质心位置的影响，利用ADAMS对机器人跨越壕沟和台阶的运动学性能进行了仿真分析，验证了所设计的摆腿机构的可行性。研究为液压驱动救援机器人设计提出了一种新的思路。