自适应地形的变结构矿井救灾机器人行走机构关键技术研究

The research object of the project is the mobile mechanism for coal mine rescue robots in the underground unstructured terrain after coal mine firedamp explosion. According to coal mine terrain features, the rocker-type, deformable crawler, wheeled walking mechanism are combinated, using the mechanism synthesis, structural topology method, terrain adaptive and metamorphic mobile mechanisms are studied, and a kind of variable structure rocker type wheel track walking mechanism is put forward, and key technologies including structure transformation control, position of center of mass regulation, action planning and parameters optimization technology are studied.Track deformation and pattern transform among rocker crawler, tracked and wheeled movement are realized using structural transformation controlling mechanism. Structure deformation and centroid adjustment action planning in process of obstacle navigation are developed, through establishment of centroid kinematics model and analysis of obstacle-climbing capability. combining mine terrain feature size, mobile mechanism dimension parameters are deducted and optimizated through virtual prototype computer simulation optimization, and the prototype of the robot is test and measured. This research can provide a good Terrain Trafficability mobile mechanism which can overcome rule structure terrain and passively adapt the rugged unstructured terrain. This project can promote the bottleneck problem settlement and the research progress of the coal mine rescue robot.

本项目以适应瓦斯爆炸后煤矿井下非结构地形的救灾机器人行走机构为研究目标，根据矿井地形特点，将摇杆式、变形履带式、轮式行走机构相结合，采用机构综合、结构拓扑的方法，进行自适应地形的变结构机器人行走机构的推衍研究，提出一种变结构摇杆式轮履复合行走机构，并研究其结构变换控制、质心位置调节、动作规划及参数优化等关键技术。采用结构变换控制机构实现履带变形及摇杆履带式、履带式和轮式等运动模式的变换；通过建立质心运动学模型与越障特性的分析，制定越障时的结构变形、质心调节的动作规划；结合矿井地形特征尺寸，推导行走机构的尺寸参数，通过虚拟样机计算机仿真进行参数优化；进而进行样机的制作及试验与测试。本项目研究成果可提供一种既能克服矿井下规则的结构地形又能被动地自适应崎岖不平的非结构地形的，具有良好的地形通过性能的行走机构。本项目的开展可推动矿井救灾机器人行走机构技术瓶颈问题的解决及矿井救灾机器人的研究进展。

煤矿井下发生瓦斯爆炸事故后，井下救援环境十分危险，采用矿井救灾机器人参与救援可提高救援效率和减少二次伤亡。爆炸事故后，为复杂的非结构化地形地形复杂，且井下爆炸性气体环境制约了障碍检测的传感器的应用，因此研究具有自适应地形的高地形通过能力的行走机构是煤矿救灾机器人研究的首要任务。. 提出了采用机构综合、结构拓扑的方法将典型的履带行走机构、全方位轮机构引入摇杆式行走机构中获得新型摇杆式履带行走机构的方法，并利用该方法提出了多种可被动适应地形的行走机构构型，包括：双重被动适应地形的履带式行走机构、摇杆式W形履带行走机构、摇杆式双梯形履带行走机构、摇杆式全方位行走机构。通过建立质心运动学模型与越障特性的分析，结合矿井地形特征尺寸，推导行走机构的尺寸参数，通过虚拟样机计算机仿真进行参数优化；进而进行了样机的制作、试验，及矿井下的测试。. 展开了可控的差动平衡机构的研究，提出了3种可控的差动平衡机构，一种为空间七连杆式差动平衡机构，另两种为可控齿轮式差动平衡机构；通过对该差动平衡机构的2个自由度的控制实现了差动功能的使能控制，以及构件的相对位置关系。用于摇杆式移动平台时，实现了移动平台差动功能的使能控制以及主车体相对行走机构的夹角，也可实现移动平台质心的调节，使得移动平台对非结构化的地形的适应性更强。. 采用机构置换的方法将可变形履带替换固定形状履带，推衍出了摇杆式变形履带行走机构；结合轮式行走机构，又推衍出变结构摇杆式轮履复合机器人行走机构；并提出了结构变换控制机构，可实现履带变形及摇杆履带式、履带式和轮式等运动模式的变换；通过建立质心运动学模型与越障特性的分析，制定越障时的结构变形、质心调节的动作规划。根据上述两种行走机构设计了虚拟样机并进行了运动仿真，验证了其地形通过性与越障性能。. 本项目研究成果，提供系列既能克服矿井下规则的结构地形又能被动地自适应崎岖不平的非结构地形的，具有良好的地形通过性能的行走机构。本项目的开展可推动矿井救灾机器人行走机构技术瓶颈问题的解决及矿井救灾机器人的研究进展。. 目前，本项目所得研究成果，已发表论文8篇，其中EI检索论文5篇；申请发明专利和实用新型专利各15件，其中已经授权发明2件、公布12件，已经授权实用新型12件；培养研究生4名，已毕业1名。