关于井下搜救探测机器人的虚拟样机建模技术与研究.docx
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1、目录職 .11.1石开究背景及意乂 .11.2课题来源 .21.3国内外研究动态 .21.4虚拟样机技术概述 .41.5本文研究的主要内容 .6第二章煤矿井下搜救探测机器人本体结构设计 .72.1 弓丨W.72.2机器人本体结构设计 .72.2.1机器人本体结构的性能及要求.72.2.2 机器人本体结构设计及其数字化样机.82.2.3机器人本体结构的特点.92.3 机器人的多姿态运动 .92.3.1平面运动.92.3.2_章 .102.3.3_勾.112.4 机器人传动机构设计 .122.4.1履带驱动.122.4.2摆臂的实现.122.4.3传动机构总的特点.132.5 机器人模块化与张紧结
2、构设计 .132.5.1 模块化设计.132.5.2 履带张紧的实现.132.6 机器人数字化样机及其分析 .142.6.1零件结构干涉检测.142.6.2 机器人质量属性检测.142.7本章小结 .16第三章机器人行走机构虚拟样机的建立 .173.1弓 IW.17V3.2 建模与仿真软件概述 .183.2.1Pro/E 简介.183.2.2ADAMS动力学仿真软件简介 .193.2.3从Pro/E将模型导入ADAMS.203.2.4 动力学/运动学建模的简化原则与思路.213.3 机器人行走机构虚拟样机建模 .223.3.1 履带的简化与建模.223.3.2 履带轮的建模.253.3.3机器
3、人主体的简化 .253.3.4 模型装配.253.3.5 主履带模型的建立.263.3.6 摆臂履带模型的建立.263.4 模型在ADAMS中主要设置及参数说明.273.4.1施加各种约束 .273.4.2 履带节连接Bushing及其参数设置.283.4.3橡胶与路面材料 .293.4.4 接触的定义.293.4.5履带的张紧 .313.4.6施加外部载荷 .323.5 本章小结.34第四章机器人行走机构运动学/动力学仿真实验与分析.354.1弓丨 W.354.2 机器人运动学理论与ADAMS求解器.354.2.1WMRII运动学方程 .354.2.2 主驱动模块运动学方程.374.2.3
4、履带行走机构ADAMS仿真的求解器选择 .384.3 动力学/运动学仿真实验与分析 .404.3.1履带的阻尼系数 .404.3.2主驱动电机的选定 .424.3.3 动力学仿真实验.454.4 综合仿真实验 .484.4.1 直行 -转弯-直行.48VI4.4.2崎岖路面行走 .514.4.3陡坡转弯 .524.4.4越沟.524.4.5_章 .534.4.6剖介.544.4.7自撑起 .554.5本章小结.57第五章机器人摆臂有限元分析.595.1弓 IW.595.2有限元软件ANSYS概述.595.2.1前处理模块 .595.2.2 求解模块.605.2.3后处理模块 .605.3 机器
5、人前后摆臂结构有限元模型建立 .615.3.1 机器人前后摆臂结构设计.615.3.2 机器人前后摆臂几何模型简化.615.3.3 机器人前后摆臂有限元模型建立.625.4 机器人前后摆臂有限元分析 .635.4.1加载与约束 .635.4.2结果分析 .645.5本章小结.66第六章结论与展望.676.1全文研究内容总结.676.2廳.68参考文献.69ilt.73攻读硕士期间发表的学术论文与获奖.74VII第 一 章 绪 论1.1 研究背景及意义当前,我国是世界煤炭开采和消耗量最大的国家,煤炭年产量已经超过 13 亿吨, 煤炭已经成为我国的最主要能源(占全部能源的 67%以上),煤炭开采安
6、全与利用直接关 系到我国的能源安全和经济可持续发展。同时,我国也是世界上煤矿安全事故最多的国 家,每年矿工死亡人数都在 6000 人以上,煤矿开采事故造成了巨大的财产损失和非常 恶劣的社会影响12。由于矿难事故原因和矿难发生现场情况不明,救援人员在抢险搜救中遇难的情况时 有发生,探知事故现场情况是展开抢险救援的先决条件。在救援前,若采用可替代救援 人员的自动化设备深入到矿井下探测矿难位置和矿难现场情况,并且实时地将相关信息 传输到救援指挥中心,就能为救援决策提供科学依据,以便能准确、快速地制定救援方 案,从而在确保救援人员安全的前提下实施高效率救援,最大限度地减少人员和财产损 失。此外,在煤矿
7、开采过程中,特别是对高含硫矿层的开采,出现“火点”的巷道会产 生大量的一氧化碳等有害气体,为了保证安全需要对其进行封闭。在重新开采前若派安 检人员进入封闭巷道检测是否符合开采作业条件是非常危险的,曾多次出现安检人员死 亡的重大事故。因此,在煤炭开采过程中同样需要一种可以替代人进行现场检测的自动 化设备。由此可见,研究设计一种能够用于煤矿井下搜救探测的机器人是很有必要的,这样 的机器人无论是在开采过程中,还是在矿难发生后,都能在减少人员伤亡和财产损失方 面发挥重要作用。另外,我国虽然在消防救援、反恐防爆等特种机器人研究领域取得了巨大成绩,但 由于煤矿井下环境的复杂性和煤矿搜救探测机器人功能要求的
8、特殊性,在煤矿井下搜救 探测机器人技术研究方面基本上是一片空白,至今还没有研制出具有实际应用价值的此 类机器人样机和产品。从国内外机器人研究现状来看,目前还没有能用于煤矿井下搜救 探测的机器人样机和具有实际应用价值的产品问世。但是我省煤矿行业安全事故频发, 导致重大人员财产损失的严峻现实,以及国家对特殊环境应用的智能机器人的重大需求,决定了研制煤矿井下搜救探测机器人已成为一项非常紧迫的任务3。同时,煤矿井下搜救探测机器人也是我国智能机器人技术发展的重要方向之一,煤 矿井下搜救探测机器人技术的突破必将大大提升我国智能机器人的研制水平,推动我国 机器人技术研究和实际应用向纵深方向发展4。所以,研制
9、煤矿搜救探测机器人具有重要的现实意义,是满足当前我国煤矿生产安 全的一项紧迫任务。同时,本课题研究在提升特殊环境应用机器人技术的研发水平和自 主创新能力、推动智能机器人在煤炭行业的应用等方面都具有重要的意义5M8。1.2 课题来源煤矿井下搜救探测机器人技术与系统研究为山西省科技厅科技攻关项目。由太 原理工大学组织实施科研工作。山西省是我国煤炭主要生产地,煤矿安全问题更加突出,对先进救援设备和技术的 需求更加迫切。煤矿井下搜救探测机器人的典型示范应用在我省,便于开展使用情况调 查和技术改进。利用我省在全国煤炭行业的主导性地位,将煤矿井下搜救探测机器人应 用到两方面:一是高含硫矿层因发生“火点”被
10、封闭,重新开启时的巷道检测;二是发 生爆炸性井下事故后,利用机器人对事故区域实施探测,这两方面的应用可以起到示范 作用,在全国煤炭行业推广开来。1.3 国内外研究动态对于矿井救灾机器人的研究工作,美国起步较早,已有多家高校和研究机构研发了 针对不同用途的矿井救灾机器人。如美国智能系统和机器人中心开发的RATLER矿井 探索机器人,用于灾难后的现场侦查工作,采用电传遥控方式,有主动红外摄像机、无 线射频信号收发器、陀螺仪和危险气体传感器等装备。无线遥控距离(直线距离)约 76 m。 这种机器人已经形成系列化,除了矿井方面的应用,还有军事方面的应用。美国南佛罗 里达大学研制的Sim-bot矿井搜索
11、机器人,这种机器人小巧灵活,携带数字低照度摄像 机和基本气体监视组件,可以通过一个钻出的小洞钻进矿井,越过碎石和烂泥,并使用 其携带的传感器发现受害矿工,探测氧气、甲烷气体含量,生成矿井地图。另外,卡内 基梅隆大学机器人研究中心也开发了两款全自主矿井探测机器人-Groundhog和Ferret。2Groundhog主要用于探测井下环境,精确绘制井下立体地图。机械结构采用四轮导向、 液压驱动,可实现零半径转弯,最高速度可达lkm/h。装备有激光测距传感器、夜视 摄像机、气体探测传感器、Sinkage传感器、陀螺仪等,能够对矿井下的环境进行综合 性测量,建立矿井立体模型。机器人Ferret用于矿井
12、钻孔探测,装备有长距离低反射率 三维激光扫描仪、嵌入式微处理器、磁指南针、倾角传感器、摄像机、照明灯、接近传 感器等设备。能够完成三维激光扫描地图生成,地图核对,可通过性分析等任务,一次 充电可连续工作 4 小时。由Remotec公司制造的V2 煤矿井下搜救探测机器人,大约 50 英寸高,1200 英磅重,使用防爆电动机驱动橡胶履带。安装有导航和监控摄像机、灯、 气体传感器和一个机器臂,具有夜视能力和双路语音通讯功能。可在 5000 英尺以外的 安全位置远程遥控,使用光纤通讯传送矿井环境信息,操纵者能够看到实时视频信息和 易燃的有毒气体的浓度9。国内研究矿井救灾机器人的工作相对较晚,研究机构也
13、相对较少,目前报道的只有 中国矿业大学。中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所于 2006 年 6 月成功研制 了我国第 1台用于煤矿救援的CUMT-1 型矿井搜救机器人,该机器人装备有低照度摄 像机、气体传感器和温度计等设备。能够探测灾害环境,实时传回灾区的瓦斯、CO、 粉尘浓度和温度以及高分辨率的现场图像等信息,具有双向语音对讲功能,能够使救灾 指挥人员与受害者进行快速联络,指挥受伤人员选择最佳的逃生路线,具有无线网络通 讯功能;同时还携带有食品、水、药品、救护工具等救助物资,使受害者能够积极开展 自救1。上述矿井搜救机器人代表了当前国内外在该领域的研究现状和发展水平,但它们离 实际应用
14、的要求还有很大距离。例如,RATLER矿井探索机器人的通讯方式单一,通讯 距离短;机械结构方面,其原型设计是基于野外全地形运动车辆的使用要求,没有按照 适合于矿井环境来设计运动系统,底盘较低,越障性能一般。由于采用轮式差速转弯, 转弯半径大,转向不灵活,结构不太适合于巷道等狭窄空间,且没有任何自主避障方面 的设计。Simbot是一种体积非常小的机器人,这就决定了它不可能拥有较远的控制范 围,只能在较近的范围内进行有线控制,携带的传感器数量也很有限,必须由搜索队员 携带下井,使用方式非常有限。Groundhog机器人的自主性和移动性都非常强,但它是 为了探测正常矿井地形而设计的试验平台,携带有非
15、常多的仪器设备,由于美国的矿井 巷道比较宽敞,道路平坦,瓦斯含量少,条件比较优越,所以其设计的体积巨大,并不3适合用作煤矿搜救,曾经陷入泥浆地,被用线缆拉了出来。V2 机器人是比较成熟的一 款矿井救灾机器人,结构设计很好,但体积略显巨大,而且也没有自主避障功能,仅仅 是遥控而已,并且只有光纤一种通讯方式,其可靠性也有待提高。CUMT-1 型矿井搜救 机器人同样存在通讯、避障和机械可靠性等方面的技术问题11H14。煤矿救灾机器人包括灾后环境探测机器人和营救机器人两种。在救援初期,主要使 用灾后环境探测机器人,其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区,进行环境探测,并 将采集的数据发送至救援指挥中心,
16、这些环境信息主要包括瓦斯、C0、氧气的浓度, 环境温度、湿度与粉尘情况,以及灾区的通风状况的参数,还应包括生命和图像等信息, 为救灾决策提供重要参考。煤矿灾后环境探测机器人应具有良好的运动性能,能够翻越 井下钢轨、斜坡和台阶,个体不应太大,应该尽量小巧灵便,便于携带。在井下高温环 境下负重作业,救护人员的体力以及氧气消耗都很大,营救机器人主要作用是代替救护 人员搬运、转移伤员和遇难者至安全区域,而且营救机器人需要携带必要的救护设备和 仪器。因此,营救机器人应该具有足够大的尺寸、动力以及良好的续航能力15H18。1.4 虚拟样机技术概述虚拟样机技术(Virtual Prototyping, VP
17、)是一种基于产品计算机仿真模型的数字化设计方法.以机械系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心,加上成熟的 三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,以及广泛的应用网络技术、信息技术、 集成技术等,将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起,将虚拟技术与仿真方法相 结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法和设计理念.它可以对产品多种设计方 案进行快速测试、评估与改进,直到获得最优的整机性能.另外,运用虚拟样机技术可 以快速地建立包括控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机,从而能 在产品设计初期及时发现问题、解决问题1928最大上下坡角度/()30最大越障高度/m0.3
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