井下探测机器人制造技术

本发明专利技术涉及一种机器人，具体涉及一种可变履带式井下探测机器人，属于机械设计领域。近年来，我省煤矿产业生产过程中频发瓦斯、煤尘等爆炸事故。事故发生后，救援人员无法及时下井，耽误宝贵的救援时间，造成了较多人员的伤亡。针对这一问题，设计一种可变履带式井下探测机器人行走机构，实现翻越连续台阶、圆台地形、矩形凸台、梯形凸台、斜坡地形和沟道地形等，且在汽车转向系统的基础上加以改进，采用一种适用于履带机器人的转向机构，切实做好履带探测机器人的创新、改进与完善工作，为矿井安全生产工作提供有益参考，为我省煤矿井下探测工作作出应有贡献。

【技术实现步骤摘要】

本设计涉及一种机器人，具体涉及一种可变履带式井下探测机器人。
技术介绍
黑龙江省委、省政府提出了推动“八大经济区”、“十大工程”建设的发展战略，矿业产业是重点发展的十大产业之一。我省是全国产煤大省，矿井数量多、条件复杂、开采时间长，高瓦斯、高突矿井约占矿井总数的10%。而且，随着开采水平的不断下延，高瓦斯、高突矿井数量逐渐增多。近年来，关注煤矿安全生产成为了煤矿产业加速发展的重中之重，在煤矿井下发生瓦斯、煤尘等爆炸事故后，第一时间就是解救井下被困人员。然而这种事故的发生往往使得井下环境异常凶险，救援人员无法及时下井，耽误了宝贵的救援时间，这就造成了更多人员的伤亡。事故发生后，井下的各项生命指标是事故专家和决策者做出判断与决策的主要依据，试设计一种可变履带式井下探测机器人，使其深入到井下灾害现场，这一未知的危险区域进行环境探测，并将井下信息及时反馈到救援指挥中心，辅助指挥人员进行紧急决策，并对灾害现场进行评估，为指挥人员制定救援方案提供参考，为救援工作搭建宝贵的通信平台，为我省的煤矿井下探测工作提供有效依据，在资源节约型和环境友好型的社会发展过程中具有广阔的应用前景和重大的现实意义。
技术实现思路
本设计要解决的问题是根据以上要求并通过设计计算，确定此次设计的机器人行走机构尺寸参数，并绘制井下灾区现场地形的模拟图，再利用Solidworks软件将机器人行走机构与井下灾区现场地形装配为一个整体，然后导入到仿真软件ADAMS中进行虚拟仿真，模拟机器人在起伏不平的地面上运行的情况，考察验证机器人行走机构对于井下复杂地形的通过性与平顺性。在对井下探测机器人的研究过程中发现，机器人的行走机构研究是设计的首要任务与技术难点。这是由于煤矿井下环境，尤其是灾害后的环境为空间受限的非结构化环境。由于瓦斯爆炸引起的顶板冒落、片帮、设备错乱翻倒，导致灾区现场地形复杂。这一空间有限的非结构化极端环境给机器人的行走带来非常大的困难。这就要求井下探测机器人的行走机构必须具有较强的对复杂地形的适应能力和爬坡越障能力，以使机器人能够攀越连续台阶、圆形凸台、矩形凸台、梯形凸台、斜坡地形和沟道地形等。当可变履带式井下探测机器人的两条履带速度相同时，机器人可以实现前进或后退运动；而当两条履带的速度不同时，机器人可以实现转向运动。且两边主臂杆均由直流电机带动，绕履带架上的轴旋转，从而实现履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境，且主臂杆越高，该机器人可攀越的障碍越陡峭。根据以上要求并通过设计计算，确定了此次设计的机器人行走机构参数：(1)车体长1200mm，宽1147mm，高772mm；(2)变履带中驱动轮和导向轮之间的距离是680mm，即履带架长680mm；(3)主臂杆长695mm；(4)驱动轮、导向轮、变履带齿轮直径均为154mm；(5)履带周长为2321mm。根据以上尺寸，利用CAD软件建立机器人行走机构传动示意图如图1所示，图中1为HH型双筒式车体减震器；2为JSF型直流伺服驱动电机；3为机器人驱动轮；4为680mm履带架；5为直齿圆柱齿轮，齿数Z=72；6为直齿圆柱齿轮，齿数Z=24；7为直齿圆柱齿轮，齿数Z=48；8为机器人导向轮；9为机器人变履带齿轮，齿数Z=42，模数m=3.5；10为695mm主臂杆。利用Solidworks将机器人各零部件装配起来，可变履带式机器人对地形的适应能力强，支承面积大，动载荷小，路面粘着力强，越野机动性好，且履带支承面上有履齿，履带本身给车轮起铺路的作用，其结构设计紧凑，不易打滑，容易爬坡。该设计还具有结构独特新颖，使用简单方便等优点，有利于机器人发挥较大的牵引力，缓冲井下不规则路面冲击，提高机器人整体机构的稳定性和可靠性。该设计中，两条形状可变的履带均由小型直流伺服电机驱动，电机型号JSF42-3-30-AS-1000，额定功率为32w，额定转速为3000r/min，经过2级齿轮减速，减速比为1:3和1:2，减速后，电机输出转速降至500r/min。由此计算出的电机转矩为0.1Nm。通过对煤矿井下环境，尤其是灾区现场地形复杂的非结构化环境进行尺寸参数的调研与现场实地测量，可以对灾区现场地形尺寸特征进行提取与简化，再采用制图软件CAD对灾区现场环境进行模型建立，为下一步实施虚拟仿真做准备。在对鸡西矿业集团下属各矿灾区现场调研的过程中发现，事故现场的地形特征以台阶地形、凸台地形、斜坡地形和沟道地形为主，各地形的尺寸参数为：(1)台阶地形，高度约在250mm以下，连续台阶的高度约在150mm~180mm之间，台阶跨度一般取值220~350mm，台阶宽度一般取值600~1200mm，坡度约在8~15°之间；(2)矩形凸台地形，高度约为130mm，最大高度可至200mm，凸台的斜面坡度约在60~80°之间；(3)梯形凸台地形，高度约为150mm，最大高度可至180mm，凸台的斜面坡度约在60~70°之间；(4)圆形凸台地形，直径约在200mm左右；(5)斜坡地形，煤矿井下长距斜坡地形多为斜巷道，倾角约为 8~15°，短距斜坡倾角约在30~45°之间；(6)沟道地形，煤矿井下的沟道地形多为排水沟，煤矿井下的沟道地形的宽度约为300 mm，较宽的沟道可达到500mm左右。应用CAD软件建立井下灾后地形的模型如图2、图3所示。其中，图2为井下灾区地形主视图，图3为井下灾区地形俯视图。图2中1为矩形凸台；2为梯形凸台；3为连续台阶；4为圆形凸台；5为沟道；6为斜坡。可变履带式机器人行走机构攀越井下地形时的变形能力如图4、图5、图6、图7所示。其中图4为机器人行走机构上凸台过程，图5为机器人行走机构下凸台过程，图6为机器人行走机构上连续台阶过程，图7为机器人行走机构下连续台阶过程。   再利用Solidworks软件将机器人行走机构模型与井下灾后地形模型装配起来，然后导入到ADAMS软件中进行模拟仿真，考察验证可变履带式机器人行驶的通过性与平顺性。由于可变履带中的4个齿轮运行状况一致，所以将可变履带底盘上的4个齿轮通过布尔和运算合并为一个整体，将可变履带上的2个顶部齿轮通过布尔和运算合并为另一个整体，并应用ADAMS/View约束库中的运动副来约束仿真模型中各部件的运动。将车体与Ground建立固定副，履带轮与Ground建立移动副，并对机器人底盘上的驱动轮施加转矩，再利用函数表达式对转矩赋值，模拟机器人在起伏不平的地面上运行的情况。在ADAMS后处理模块ADAMS/Postprocessor中观察仿真过程，得到机器人主车体质心、底盘上的齿轮组、可变履带顶部齿轮组在竖直方向上的速度与位移随时间变化的曲线，如图8、图9所示。其中，图8为可变履带式机器人行走机构攀越井下虚拟地形时，在竖直方向上的速度曲线。图9为可变履带式机器人行走机构攀越井下虚拟地形时，在竖直方向上的位移曲线。由图8可以看出，点划线为机器人底盘上的齿轮组的速度，实线为可变履带顶部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可变履带式井下探测机器人，其外形尺寸的技术特征在于：(1)车体长1200mm，宽1147mm，高772mm；(2)变履带中驱动轮和导向轮之间的距离是680mm，即履带架长680mm；(3)主臂杆长695mm；(4)驱动轮、导向轮、变履带齿轮直径均为154mm；(5)履带周长为2321mm。

【技术特征摘要】
1.一种可变履带式井下探测机器人，其外形尺寸的技术特征在于：
(1)车体长1200mm，宽1147mm，高772mm；
(2)变履带中驱动轮和导向轮之间的距离是680mm，即履带架长680mm；
(3)主臂杆长695mm；
(4)驱动轮、导向轮、变履带齿轮直径均为154mm；
(5)履带周长为2321mm。
2.根据权利要求1所述的井下探测机器人，其驱动电机的技术特征在于：两条形状可变的履带均由小型直流伺服电机驱动，电机型号JSF42-3-30-...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲芳，
申请(专利权)人：黑龙江科技学院，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23