多地形多运动模式矿井救灾机器人机构创成与稳定控制方法研究

The coal mine rescue robot sent to rescue will face underground complex unstructured terrain environments and explosive gas environment after blast disasters. So the robot not only should have explosion-proof, and also have good terrain adaptability and trafficability. The research object of the project is design of mobile mechanism for coal mine rescue robots with high terrain adaptability and terrain trafficability. According to the characteristics of the underground coal mine complex and varied terrain, using the method of mechanism synthesis and structure topology, controllable differential mechanism and buffer type deformable crawler walking mechanism will be combined, then the rocker-type controllable deformation wheel-track walking mechanism can be obtained. This mechanism can realize multiple movement modes transforming and differential balance mechanism controlling, and can adapt to the complex terrain by active and passive cooperate deformation, and will have high terrain adaptability and trafficability. According to the kinematic characteristics of different motion modes of the mobile mechanism, the key scientific problems will be studied, including the interaction mechanism of the mobile mechanism and the ground, the shape, attitude control methods of mechanism, robot motion stability control methods etc.. Finally, considering the requirements mine explosion-proof design, a robot prototype will be innovated and developed. Then the testing of terrain adaptability and trafficability and the validating of control methods will be carried out on the simulating terrain in laboratory and in the underground coal mine, and simulation of disaster relief using the robot will also be carried out. This project can promote the bottleneck problem settlement of the mobile mechanism for coal mine rescue robots and also can promote the application of the coal mine rescue robot in disaster rescuing.

矿井救灾机器人所面临的煤矿灾后环境为复杂的、非结构化的地形环境和爆炸性气体环境，机器人不但应具有防爆性，还应具有良好的地形适应性与通过性。本项目以高地形适应性与通过性的矿井救灾机器人行走机构为研究目标，根据矿井复杂多样的地形特征，采用机构综合与结构拓扑的方法，将可控的差动平衡机构与缓冲型可变形的轮履复合行走机构相结合，获得摇杆式可控变形轮履复合机器人行走机构；该机构可实现多种运动模式的转换及差动平衡机构的控制，能够主、被动相配合地适应复杂地形，具有高地形适应性与通过性；根据其不同运动模式的运动特性，对行走机构与地面的交互机理，机构的形状、姿态控制方法，机器人运动稳定控制方法等关键科学问题进行研究；最后结合矿井防爆要求，研发机器人样机并在实验室及煤矿井下实际地形进行通过性与适应性测试、控制方法的验证与救灾模拟。本项目可解决矿井救灾机器人行走机构的技术瓶颈问题，并推进矿井机器人的救灾应用。

矿井救灾机器人面临的煤矿灾后环境为复杂的、非结构化的地形环境和爆炸性气体环境，机器人不但应具有防爆性，还应具有良好的地形适应性与通过性。本项目的目的是研究高地形适应性与通过性的矿井救灾机器人行走机构，以及该行走机构的越障机理与稳定控制。.首先通过文献与实地调研矿井地形特征的基础上，对典型障碍地形进行了特征提取与简化；并根据调研情况与地形结构参数，确定了机器人的越障指标，为机器人行走机构的设计、仿真以及实验室模拟地形做准备。采用机构综合与结构拓扑的方法，将可控的差动平衡机构与缓冲型可变形的轮履复合行走机构相结合，获得了摇杆式可控变形轮履复合机器人行走机构；该机构可实现多种运动模式的转换及差动平衡机构的控制，能够主、被动相配合地适应复杂地形，具有高地形适应性与通过性。.本项目研究了机器人行走机构不同运动模式下的运动特性，研制了适用于变形履带行走机构与越障实验的土槽试验台；基于该试验台研究了不同形态下行走机构-地面力学、行走机构—障碍的交互力学机理、影响因素与规律；研究了行走机构的地形空间通过性及机器人不同的运动模式合理修正该动力学模型；研究了机器人对不稳定的多变地形的扰动引起的机器人纵向、横向的滑移与运动失稳行为，综合分析了机器人行走机构形态、运动模式和障碍类型对机器人越障能力和地形通过性的影响；研究了可控的差动平衡机构与行走机构的变形控制策略，实现了机器人在复杂地形上的被动与主动相配合的自适应的运动稳定控制以及相应的姿态控制；研制了机器人行走机构样机，并进行了地形通过性与适应性测试、控制方法的验证。本项目对解决矿井救灾机器人行走机构的技术瓶颈问题及矿井机器人的救灾应用起到推进作用。