矿山探测机器人移动平台设计与越障机理研究

关丙火

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315)

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国[1]，煤矿开采中瓦斯爆炸、火灾等事故频繁发生，灾后的救援工作复杂、危险度高，严重危害工作人员生命安全，制约着煤炭行业发展[2，3]。目前事故发生后的主要救援手段还是人工下井探测和救助[4]。由于灾后环境复杂恶劣、空间狭窄、有毒和易燃易爆气体等，随时可能发生二次灾害，严重威胁救援人员生命安全，对抢夺黄金救援时间提出巨大挑战[5，6]。

随着矿山智能化和自动化技术的发展[7，8]，井下探测机器人作为特种机器人中重要的分支之一，在井下探测、抢险甚至救援中愈加发挥举足轻重的作用，其可替代工作人员或救援人员进入高温、易燃易爆和有毒等危险灾害事故现场侦察探测以及数据采集、处理、反馈等，有效解决井下工作人员面临的人身安全等问题[9，10]。现场指挥人员可以利用其进行先期压制，并根据其反馈结果，及时对灾害救援做出科学判断和决策[11，12]。

矿灾后井下塌陷、断裂以及阻塞等因素，导致地面环境复杂多变[13]。因此，机器人的爬坡越障性能直接决定了其探测和救援的效率。目前井下探测机器人主要有车轮和履带两种形式，车轮式机器人主要应用于未发生灾害前结构性地面的井下常规巡检，履带式机器人因其接地面积大、越障性能强而应用于灾害后非结构复杂地面的探测和救援[14-16]。目前摆臂越障机器人主要集中在纯履带式、双摆臂结构上，四摆臂的机器人越障机理分析主要集中在数学模型分析和仿真阶段[17-18]。因此，本文设计了矿山侦察机器人，通过对其动力学和模态分析，研究了机器人本体参数与越障间的机理关系，并进行了场地性能实测，对比实验结果证明了分析方法的有效性，为进一步机器人智能化感知和越障控制提供了理论指导。

1 矿山侦察机器人结构组成

履带式移动平台的机器人具备更加优越的越野机动性能，并且具备原地差速转向特点，且配合摆臂越障机构能够适应更复杂的非结构灾后地面环境。

1.1 机器人整机结构组成

矿山侦察机器人结构组成如图1所示。

1—本体；2—移动组件；3—前端摆臂组件；4—后端摆臂组件；5—探测系统；6—通讯天线；7—救援组件图1 矿山侦察机器人结构组成

本体为侦察机器人移动平台载体，内部设置有动力驱动、电源和控制器等器件，外部两侧安装有轮系组件，用以驱动移动组件和摆臂组件作业，也是整套矿山侦察机器人的基本框架。悬挂组件为独立式悬挂系统，分别设置在本体的两侧，对本体起到减震、越障等作用。前、后端摆臂组件可实现相对移动组件的摆臂旋转运动，用以实现爬坡越障功能，前端摆臂左右对称安装在本体前端；后端摆臂左右对称安装在本体后端；前、后端摆臂还通过轴传动机构与内部摆臂驱动机构连接，用以实现角度的调整。移动组件用以实现移动和差速转向，通讯天线连接内部的通讯板卡用以实现机器人探测参数的发送和控制指令的接收，救援组件用于实现对现场障碍物的搬离与人员协助救援工作。

1.2 机器人摆臂和移动驱动机构设计

为提升机器人在非结构地面尤其是矿难后的通过性能，在移动机构前后两侧均增加摆臂组件，前、后端摆臂组件采用外摆臂结构，内部采用齿轮传动，矿山侦察机器人移动和摆臂结构设计如图2所示。

1-1—前摆臂驱动轮；1-2—前摆臂从动轮；1-3—前摆臂履带；2-1—承重轮；2-2—移动履带；4-1—右驱动电机；4-2—右驱动减速箱；5-1—前摆臂驱动电机；5-2—前摆臂减速箱图2 矿山侦察机器人移动和摆臂结构设计

图2中，动力驱动电机将动力经驱动减速箱传送至驱动轮上实现履带的转动，动力传输的效率较高；摆臂减速箱将摆臂驱动电机的动力源降速增距后传送至摆臂组件上。将动力驱动电机和摆臂电机呈现对向前后放置有利于机器人重心配比，提高机器人爬行时本体的稳定性。在前后摆臂的驱动轮和从动轮之间，还设置有张紧模块，实现摆臂履带的自张紧，有利于提高机器人爬坡越障时履带与的摩擦力，也防止或降低掉履带的风险。

由于前后摆臂机构采用不同的动力源单独进行摆臂和动力驱动，因此可以实现各自不同的姿态和移动速度驱动，从而实现机器人多模态的运动，也有利于机器人的模块化和轻量化。

2 矿山侦察机器人移动平台建模

机器人在井下侦察，应具备较强的爬坡越障能力，而影响其爬坡越障性能的重要因素之一是机器人的质心位置分布，因此需要对其分析设计[18，19]。

图3 机器人摆臂及越障高度几何分析

如图3所示，大地坐标系为XbObYb，本体后部的后摆臂驱动轮及沿本体轴向、垂向设置为本体坐标系X0O0Y0；以前摆臂驱动轮以及沿摆臂轴向、垂向设置为前摆臂坐标系X1O1Y1；以后摆臂组件后部的从动轮轴心以及沿摆臂轴向、垂向设置为后摆臂坐标系X2O2Y2。其中，CM、Cf、Cr分别为机器人的本体质心、前后摆臂质心。其中，M=85kg，为机器人本体重量；mf=23kg，为前摆臂重量；mr=24kg，为后摆臂重量；R=104mm，本体驱动轮半径；r=58mm，摆臂从动轮半径；L0=939mm，为本体前后驱动轮轴距；l=319mm，摆臂驱动轮和从动轮轴距；Lf=195mm，为前摆臂质心与驱动轮间距；Lr=179mm，为后摆臂质心与驱动轮间距；LM=437mm，为本体质心与后驱动轮的间距；h=72mm，为本体质心与本体几何中心的垂向间距。此外，图中符号H表示障碍物高度，θ为机器人本体相对水平地面的夹角，前、后摆臂相对本体的角度分别为α和β，G为机器人受到的总重力，方向垂直向下。

根据质心变换方程，机器人本体坐标系的质心运动学方程为：

3 爬坡越障性能分析

机器人在井下灾后侦察时，当需要跨越较小、较矮的障碍物时，与单纯的非摆臂式机器人，摆臂式机器人无需依赖前后摆臂即可跨越障碍物；但当需要跨越较大、较高的障碍物时，则需对前后摆臂进行施加控制策略，保证高性能越障，因此需要分析机器人越障机理过程并计算越障最大裕度以期提高机器人控制效能和侦察效率[20]。

3.1 机器人越障过程模态分析

机器人在对较高障碍物攀越过程中，需要前、后摆臂机构进行辅助越障，步骤如下(图4)：

图4 机器人越障过程

1)机器人行进至障碍物前方见图4(a)，前摆臂机构摆动使其搭触在障碍物表面，后摆臂机构保持水平状态以获得最大接触面积，为越障准备见图4(b)。

2)控制本体移动机构前移，同时在前摆臂机构的履带带动作用下，车体前侧与地面分离，前摆臂下侧履带与障碍物继续接触摩擦，本体抬升见图4(c)。

3)机器人质心位置上移，质心跨越过障碍物最高点见图4(d)。此后后摆臂向下翻转，支撑本体继续前移翻越障碍物见图4(e)。

4)机器人本体质心翻越过障碍物，移动机构继续前移，前摆臂和移动组件履带接触地面，越障完成，摆臂机构反向回收并恢复至初始位置见图4(f)。

3.2 机器人前摆臂越障过程模态分析

机器人在对较高障碍物攀越过程中，前摆臂机构需要搭触在障碍物表面，根据机器人机体参数可知，由于摆臂组件的驱动轮和从动轮半径不同，其轴线与驱动轮轮缘处存在一个夹角δ，如图5所示。

图5 机器人越障与前摆臂几何关系图

H=R+(l-r·tanδ)cosα

(3)

即：机器人越障最大高度与前摆臂长度、驱动轮和从动轮的半径以及摆臂角度均有关系。根据本文中的机器人基本参数可求得理论越障高度与摆臂角度的关系曲线，如图6所示。图中分别对比了不同长度摆臂下机器人的越障高度曲线。

图6 机器人越障高度与前摆臂角度关系

从图中的不同摆臂长度下的机器人越障高度曲线可以分析得出，当前摆臂的长度越长，也即摆臂驱动轮和从动轮轴距l越长时，机器人越障性能越好，越障高度越高，且在摆臂角度较小时差距更加明显。但摆臂长度越长则会增加机器人整机长度和重量，不利于机器人小型化。因此，需对前摆臂合理设计，便于机器人在狭小空间内运动，适合更多的探测和救援场景。

为了保证机器人在越障过程中不打滑，还需要满足摩擦力条件：

Gsinαmax≤μGcosαmax

(4)

式中，μ为移动机构与障碍物之间的摩擦系数，αmax则为机器人与障碍物临界稳定时的本体与水平之间的夹角，并且满足：αmax

可以看出，机器人越障高度与前摆臂轴距长度有关，摆臂轴距长度越长，越障能力越强；同时，摆臂角度越小，越障性能越好。当摆臂轴距长度为319mm时，理论最大越障高度为414mm。

3.3 机器人后摆臂辅助越障过程模态分析

为进一步提升机器人越障高度，需要后摆臂进行辅助支撑越障分析，如图7所示。图中，前、后摆臂相对本体的角度分别为α和β；Cf、Cr分别为机器人的本体质心、前后摆臂质心；Hmax为最大越障高度。

首先，计算后摆臂组件非最优的情况下越障最大值。此时机器人本体与地面的俯仰夹角为θ，质心坐标CM(xG，yG)，则机器人最大越障高度为：

其中，xG，yG为质心沿x0，y0坐标轴上的位置坐标。可以看到，在机器人的几何参数确定的情况下，其最大越障高度Hmax与车身的俯仰角θ及前、后摆臂的翻转角度α，β有关。

图7 机器人后摆臂辅助越障

对前摆臂翻转角度α求偏导，可得到前摆臂组件的摆臂角度α与最大越障高度H的关系，满足：

图8 机器人越障高度与后摆臂角度关系

4 爬坡越障试验与结果分析

为对上述的机器人越障性能分析和机器人实际越障性能验证，对机器人进行了实验研究。在实际试验时，通过逐步增加越障高度，得到机器人最高越障性能，如图9所示。

图9 机器人越障实际场景试验图

图9(a)中，机器人前摆臂变形至垂向状态，机器人移至障碍物的前端处，激光传感器对障碍物距离和高度测量分析计算待越障的障碍物高度信息。图9(b)中，控制器根据获取的障碍物高度信息计算，分析出此场景下机器人前摆臂角度。控制器控制机器人前端摆臂机构摆动到合适的角度。此后，控制器控制动力电机驱动履带底盘前进，使前摆臂机构摆动使其搭触在障碍物表面，控制后摆臂机构保持水平状态以获得最大接触面积，为越障做准备。图9(c)中，控制器控制本体移动机构前移，同时在前摆臂机构的履带带动作用下，车体前侧与地面分离，前摆臂下侧履带与障碍物继续接触摩擦，本体抬升。图9(d)中，机器人质心位置上移，质心跨越过障碍物最高点。图9(e)中，机器人重心越过障碍物最高点，控制器控制后摆臂向下翻转，支撑本体继续前移翻越障碍物。图9(f)中，机器人本体质心翻越过障碍物后，移动机构继续前移，机器人前摆臂履带和移动组件履带接触地面，机器人越障完成，摆臂机构回收并恢复初始位置，越障任务完成。

机器人实验值对应的前、后摆臂角度与越障高度的数值及与理论值的对比如图10所示。可以看到，不同的前后摆臂角度对应的越障高度与理论值趋势一致，且数据误差较小，验证了动力学建模的正确性和有效性。此外，从图中可以看到越障高度上试验值稍高于理论值，原因在于测试时履带外部具有防滑垫，因为弹性缘故导致机器人重心稍偏低，进一步提升了机器人的越障高度。总体来说，机器人试验的越障高度超过设计指标，为467mm，满足常规的应用要求。

图10 机器人越障高度理论与实际对比

实际试验中，还对机器人进行了爬坡和运动实验等实验验证，获得的试验数据见表1。表1中，直行速度的理论值根据驱动电机转动额定值及电机-轮系传动比计算得到，理论转向速度根据左右驱动电机反向转动和及电机-轮系传动比关系获取，理论越障高度和爬坡角度由前面章节的仿真分析获得。

表1 机器人越障性能试验结果

根据试验结果知：机器人实际移动速度最快为0.88m/s，高于设计指标和理论值，原因在于电机实际功率和转速稍高于标称值。机器人转向速度达到1.62rad/s，约4s完成一圈的原地转向功能。垮沟宽度最大到667mm，爬坡角度可达47.3°，较常规履带式移动底盘的爬坡角度极限38°具有优势，更适合应用在矿山等非结构的地面环境中。

5 结 论

1)基于设计的摆臂式侦察机器人样机，对机器人越障性能进行了动力学建模和关键参数的模态分析，获得了机器人爬坡越障性能与各参数的机理关系，根据实际应用需求，可合理设计机器人各参数以匹配实际爬坡越障需求，同时也为机器人优化和实际应用提供了指导。

2)根据实际场景应用需求，进行了机器人关键参数设计，并对摆臂式侦察机器人进行的越障机理进行了实际测试对比，试验结果表明实测值与理论分析值误差小于1%，机器人最大爬坡越障高度大于400mm，满足绝大数非结构地面环境，达到预期设计指标。

3)下一步，将结合矿山侦察的实际场景需求，进行环境感知的越障智能控制算法研究，推进机器人侦察应用示范工作。