井下巡检机器人浮动式移动底盘设计与分析

王成军，王智慧

(1.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 232001；2.安徽理工大学人工智能学院，安徽淮南 232001)

0 前言

井下巡检机器人可实时勘测现场状况进行风险评估，并对预警内容进行快速有效的传递，与传统人工巡检相比，其巡检效率大幅度提升。推进井下巡检岗位机器人替代，践行“无人则安”的安全生产新理念，是实现煤矿智能化、无人化的重要表现。

特殊且复杂的作业环境，要求巡检机器人具备高效稳定的行走能力。目前，巡检机器人的移动方式有轮式、履带式、腿式以及轮履式等组合形式。其中，轮式机器人能在平坦路面高速稳定地运动，但当地面坑洼不平或者具有爬坡等需求时，轮式结构适应能力明显降低。如中国煤炭科工集团太原研究院有限公司研制的矿井轮式物料运输机器人，采用四轮驱动，在井下行驶速度不低于20 km/h，但是越障效果不理想。履带式移动底盘种类繁多，如中国矿业大学研制的六履带四摆臂机器人，越障效果良好，但是结构较为复杂，运行速度较低，能耗较大。腿式移动结构，能适应复杂地形，越障效果良好，但是其控制难度较大，且在越障过程中容易发生重心不稳导致侧翻等现象。如ATHLETE机器人腿部结构对电机要求较高，且控制较为复杂。

针对上述情况，提出一种基于浮动式悬架的双摆臂轮履复合式移动底盘设计方法。巡检机器人通过调节浮动式悬架来适应煤矿井下非结构化、不确定和复杂未知的环境，并通过轮履配合型作业达到在井下越障及平稳快速运行的效果，从而使机器人上端所载信息采集设备能够准确捕捉井下未知环境。

1 巡检机器人移动底盘结构设计

1.1 总体方案设计

巡检机器人移动底盘采用对称结构，主要由轮组、摆臂、动力输出装置、摆臂驱动装置、浮动式悬架与车架组成，如图1所示。动力输出装置分为两部分：前动力输出装置由电机、减速器和同步带等组成，电机输出动力通过同步带传输到前轮与摆臂的主动轮；后动力输出装置包括电机、减速器和后轮传动输入轴。

图1 巡检机器人移动底盘总体结构

摆臂装置由履带、行走架、滑动导轨、主动轮、从动轮与张紧装置组成，如图2所示。行走架通过传动轴与电机、减速器相连，实现摆臂抬起和下降；摆臂轮毂与前轮轮毂通过螺栓相连，实现摆臂的主动轮与前轮同步运动。行走架与滑动导轨相连，实现履带主、从动轮的动力传输，进而实现摆臂沿路面行走，如图3所示。移动底盘的主要技术参数如表1所示。

表1 移动底盘的主要技术参数

图2 摆臂组件

图3 轮履动力输出装置

巡检机器人移动底盘工作原理：当巡检机器人在结构化平整路面上移动时，左右摆臂在摆臂驱动装置作用下抬起，此时以轮式运动为主，达到快速行走的目的；当井下环境比较坑洼不平或者跨沟时，摆臂在摆臂驱动装置的作用下，下降到与地面接触，在动力输出装置作用下沿地面行走，此时运动形式是轮履结合运动；通过增大履带与地面的接触面积，增强机器人移动底盘对路面的适应性；当遇到阶梯式障碍时，摆臂抬起合适角度与障碍物接触，前、中、后轮依次进行越障。中间两轮的设计可以有效避免因前后轮距较大、障碍物卡在底盘中间造成巡检机器人停滞不前或底盘受损等现象。

1.2 浮动式底盘设计

为提高巡检机器人地面适应性，设计一种浮动式悬架，由安装支座、V形杠杆、板簧、连杆、Y形杠杆组成。浮动式悬架呈对称形式，通过安装支座固定在车架上，3块板簧通过连杆机构与V形杠杆与Y形杠杆连接，如图4所示。整个浮动式悬架具有2个自由度，通过V形杠杆与Y形杠杆实现底盘的上下浮动，连杆机构可实现左右移动。在竖直方向上的提升距离可达55 mm，以保证车轮根据地形进行自适应调节。

图4 浮动式底盘结构简图

2 井下巡检机器人越障机制

机器人越障是指机器人主体在行走机构的驱动下，质心越过障碍关键边界线，并在惯性作用下继续前进完成翻越，在此过程中不发生倾翻与卡阻等现象，能继续保持机器人的稳定姿态与移动能力。

2.1 阶梯式越障原理

正常情况下，摆臂抬起与地面存在一定倾斜角度。当机器人遇到障碍且障碍物高度高于车轮半径时，摆臂在履带电机的驱动下，摆臂靠近台阶使其履带前端停靠在台阶的外交线上，如图5(a)所示；动力输出装置与摆臂驱动装置输出动力使摆臂主动轮和前轮停靠在台阶上，如图5(b)所示；由于相邻两对轮组之间距离小，在电机驱动下，摆臂顺时针向下转动使其重心降低，中间轮子迅速停靠在障碍物的外角线上，当巡检机器人质心越过台阶的外角线时，表示越障成功，如图5(c)所示；当后轮爬上障碍物时，表示越障结束，如图5(d)所示。巡检机器人越障过程如图5所示。

图5 巡检机器人越障过程

2.2 底盘越障质心位置分布

以巡检机器人移动底盘后轮轴心为坐标原点建立坐标系，前后两轮轴心的距离为，主体部分质量为，质心的坐标为(,)，在攀越障碍时需要2个摆臂同时运动，单摆臂的质量为，质心在的连线上，为的距离，摆臂的夹角为，主体部分的车轮半径为，摆臂的主动轮半径为，从动轮半径为，履带厚为，如图6所示。底盘的结构参数如表2所示。

表2 底盘结构参数

根据图6求得机器人质心的坐标为

图6 巡检机器人质心位置示意

(1)

将公式(1)化简为

(2)

2.3 越障高度分析

在翻越阶梯式障碍时，通过轮履配合发挥巡检机器人移动底盘的越障能力。当底盘的质心线正好通过台阶的外角线时，底盘达到能够越过障碍的极限状态，如图7所示。

图7 巡检机器人越障极限状态

根据图7中的几何关系，可计算出底盘越障高度为

(3)

将式(2)的质心坐标代入公式(3)得：

(4)

式中：表示台阶的高度；表示机器人仰角;表示摆臂摆角。

对、分别求偏导得：

(5)

求二次偏导得：

(6)

图8 越障高度与仰角、摆角之间的三维关系

2.4 跨沟原理

沟槽是井下常见的地形之一，机器人能跨越最大的沟槽宽度与机器人底盘的质心位置、摆臂长度及车轮半径等有关。机器人越沟过程如图9所示。当巡检机器人跨越沟槽时，摆臂处于平放状态，如图9(a)(b)所示。当巡检机器人质心恰好通过沟槽的近侧边缘线时，机器人开始发生倾翻，而机器人前轮恰好与沟道的另一边相切，此时跨沟宽度为机器人能达到的最大跨沟宽度，如图9(c)所示。当中轮越过沟槽的远侧边界线时，表示跨沟结束，如图9(d)所示。

当机器人处于图9(c)状态时，机器人越沟达到最大宽度，此时宽度为

图9 巡检机器人跨沟过程

将表2的数据代入公式，得到巡检机器人最大跨沟宽度为657.61 mm。

3 仿真实验分析

在不影响仿真精度且提高仿真效率的前提下，对巡检机器人移动底盘的三维模型进行简化处理。将机器人三维模型导入ADAMS/View的仿真环境中，设置各个部件的材料属性并添加运动副和驱动。添加轮胎与地面接触力，设置库仑摩擦力，静摩擦因数为0.3，动摩擦因数为0.1，对巡检机器人进行阶梯式路面、沟槽路面和坑洼路面运动仿真。

3.1 阶梯式越障分析

在Design Exploration中，建立传感器sensor1，添加摆臂与台阶的接触力。当传感器检测到摆臂与台阶垂直面接触力大于0时，摆臂顺时针转动合适角度，前轮驱动力变大使前轮越过障碍。在Simulation中创建新的脚本，设置脚本类型为ADAMS Solver命令。

巡检机器人阶梯式路面运动仿真过程，如图10所示。井下路面越障包含3个高度，初始路面建立在坐标系原点上，机器人质心距离初始地面相对高度为332 mm，第一台阶障碍高度为160 mm，第二台阶障碍高度为180 mm，第三台阶障碍高度为190 mm。

图10 巡检机器人阶梯式路面运动仿真过程

利用ADAMS/View后处理模块可得到巡检机器人在井下路面运动的质心位置曲线、质心加速度曲线和速度曲线，分别如图11—图13所示。

图11 机器人质心高度曲线 图12 机器人质心加速度曲线

图13 机器人质心速度曲线

巡检机器人在路面行驶的平稳性可根据其质心的高度变化曲线来判断。由图11可知：当巡检机器人质心高度到达492 mm时，表明机器人成功越过高度为160 mm的台阶；在为6.7～7.8 s内，机器人越过第2个障碍，此时质心高度达到672 mm；在为10～11.2 s内，机器人越过最后1个障碍，质心高度达到862 mm。3次越障过程中，巡检机器人质心位置呈台阶式上升，小范围内出现上下波动，总体曲线比较平稳。

由图11—图13可知：在第2.8、6.7、10 s附近，质心加速度出现了突变，速度明显减小，机器人的质心位置明显上升，表明机器人前轮触碰台阶开始越障；在第10 s附近，加速度绝对值突变达到了最大，推测机器人越障台阶高度达到了190 mm，巡检机器人的驱动力矩变大。如图12所示，在机器人非越障情况下，质心加速度大小基本在0附近浮动，且浮动范围不大。此外，由图13可知，质心速度相对较为平稳，基本在470 mm/s附近波动。表明：当机器人质心高度发生改变时，浮动式底盘的设计能够有效起到缓冲作用。充分验证浮动式底盘设计的合理性，机器人具有平稳运行及越障的能力。

3.2 越障高度验证

图14所示为巡检机器人翻越高度为190 mm台阶的仿真越障过程，可知该器人具有成功翻越障碍能力。

图14 巡检机器人越障仿真过程

为验证巡检机器人最大越障高度，改变第三台阶高度，设置第三台阶高度为200 mm时，机器人前轮能够到达第三台阶，但机器人中轮始终未能踏上第三台阶，表明此台阶高度设定对机器人越障有一定难度。第三台阶高度分别为190、200 mm时，质心高度变化如图15所示。

图15 不同高度下的质心轨迹

多次改变台阶的高度进行验证，巡检机器人最大越障高度为194 mm，与理论计算存在一定误差。这是因为轮胎和履带本身存在弹性特性，在质心高度理论计算时，未考虑到该弹性特性在越障过程中引起的质心降低及驱动轮在攀爬过程中与路面的相对滑动等因素。

3.3 跨沟仿真分析

以路面为原点建立坐标系，设置路面上有沟槽，沟槽宽度分别为630、650 mm，巡检机器人越沟过程如图16所示。设置仿真时间为12 s，机器人质心高度变化曲线如图17所示。

图16 巡检机器人跨沟仿真过程

图17 机器人质心高度变化曲线(跨沟仿真)

由图17可知:在为2.8～3.5 s与为9.5～10.2 s时，机器人质心高度曲线上下波动，机器人处于跨沟过程；在为2.8 s时，机器人质心高度下降，推测机器人前轮处于沟槽中；在为3.0～3.2 s时，质心高度上升，推测机器人前轮与壕沟的另一侧相切，此时摆臂抬起，使质心高度上升；在为3.7 s时，机器人完成跨越宽度为630 mm的沟槽过程；为9.5～10.2 s为机器人跨越宽度为650 mm的壕沟过程，巡检机器人质心高度相比于跨越630 mm壕沟的质心高度上下波动剧烈，推测机器人跨沟宽度接近极限值。多次改变沟槽宽度进行仿真，得到机器人跨越最大沟槽宽度为653 mm，与理论值误差较小。

3.4 坑洼路面对浮动式巡检机器人平稳性的影响

将浮动式悬架的V形杆、Y形杆及连杆机构去掉，中间增加2个安装支座，使板簧两端与安装支座相连，即为巡检机器人无浮动式悬架的移动底盘。将浮动式移动底盘和无浮动式移动底盘2种结构的巡检机器人在相同的坑洼路面上进行运动仿真，如图18所示。设置仿真时间为12 s，巡检机器人质心高度变化曲线如图19所示。

图18 巡检机器人坑洼路面运动仿真

图19 不同底盘结构巡检机器人质心高度

由图19可知:浮动式巡检机器人在坑洼路面上行走的质心高度曲线近似一条平滑直线，上下波动较小，而无浮动式悬架的巡检机器人在坑洼路面上的质心高度一直频繁上下波动，表明机器人浮动式移动底盘在坑洼路面行走比较平稳。浮动式巡检机器人移动底盘通过V形杆和Y形杆调节连杆机构实现移动底盘的上下浮动，使巡检机器人对地形具有一定的自适应能力，进一步验证了巡检机器人浮动式移动底盘设计的合理性及优越性。

4 结论

(1)设计了一种煤矿井下巡检机器人浮动式移动底盘，所设计的浮动式悬架可保证机器人在行走过程中，悬架能根据地形自适应调节，确保车轮与地面保持接触，实现稳定支撑与行走。

(2)分析机器人攀爬台阶及跨越沟槽的越障机制，得到最大攀爬台阶高度及跨越沟槽宽度的理论值，并与仿真值进行对比分析。

(3)分别针对采用无浮动悬架与浮动悬架两种结构的巡检机器人底盘进行坑洼路况运动仿真实验，结果表明：浮动式底盘能实现机器人质心平稳变化，对地形具有一定的自适应能力，验证了浮动式移动底盘设计的可行性及优越性。

(4)运用ADAMS建立巡检机器人浮动式底盘虚拟样机，通过分析机器人质心位置及质心速度、加速度曲线，得出巡检机器人运动具有良好的稳定性和越障性能，为巡检机器人越障时质心位置控制提供参考。