煤矿救灾机器人毕业设计论文

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摘要摘要煤矿救援机器人是一种能够在煤矿井下灾害环境遥控或自主导航工作的机器人，能代替煤矿的搜救队员深入井下，抢救矿难后被困矿工，并以这种方式减少甚至避免救护队员的伤亡。同时在煤矿爆炸事故后的探测救援过程中，救护人员在井下高温环境下负重作业，其体力以及氧气消耗都很大。救援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，而且救援机器人需要携带必要的救护设备和仪器，因此救援机器人应该具有足够大的尺寸和动力以及良好的续航能力。首先，本文在满足上述要求的基础上，设计了煤矿救援机器人行走机构的机械部分。在综合比较后选择轮式的行走机构。同时考虑到救援机器人的特殊工作环境，通过链传动实现了各轮的同步移动，克服了轮式移动机构跨沟能力差及易打滑等缺点。参照PACKBOT机器人增加摆臂，机器人伸出摆臂有利于越障。其次，详细设计了煤矿救灾机器人控制系统的硬件电路，包括数据采集单元电路、运动控制单元电路、编码器解析单元电路等。关键字：轮式；同步移动；摆臂；数据采集；运动控制V 摘要ABSTRACTCoalminerescuerobotisonekindofrobotsusedinundergrounddestroyedcoalmine.Itcanrescuetrappedminersintheundergroundinsteadofminerescueteamafterminedisaster.Itwillavoidcasualtiesofminerescueteaminthisway.Atthesametimeaftertheexplosionandtherescueprocessofdetectioninthecoalmine,minerescueteaminundergroundloadoperationunderhightemperatureenvironment,andtheirphysicalaswellasconsumptionofoxygenishuge.Amajorroleinthecoalminerescuerobotistoreplacetheminerescueteamtotransport,andtransferthewoundedandthevictimstoasafearea.Rescuerobotshadtocarrythenecessaryequipmentandapparatus,sotherescuerobotshouldhavesufficientsizeandpowerandgoodendurancecapacity.Firstofall,onthebasisoftheserequirements,Idesignedthemechanicalpartsofthecoalrescuerobot.Incomparison,Ichoosethewheelbody.Atthesametime,Itakethespecialworkingenvironmentforthecoalminerescuerobotintoaccount,soItrytoachieveall-roundmobilesynchronizationthroughthechaindrive.AnditcanovercometheshortcomingsofWheeledMobileinstitutionssuchasthecross-channelcapabilitiesandeasytospin.InrefertoPACKBOTrobot,Idesignthearmfortherobot,soitcanacrossthebarriersmoreeasily.Secondly,hardwarecircuitofrobotcontrolsystemisdesignedindetail,suchasdataacquisitionunitcircuit,motioncontrolunitcircuit;encoderanalyzingunitcircuitandsoon.Keyword：Wheeled；Syncmobile；Arm；DataAcquisition；MotionControlV 目录毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名：日期：年月日毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为。论文（设计）作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日V 目录目录1绪论11.1引言11.2设计背景、意义11.2.1设计的背景和意义11.3设计基础31.4国内外研究与应用现状41.5本章小结52行走机构方案确定62.1煤矿灾害现场特征62.2矿井灾害的非结构环境特征72.3行走机构方案选择与确定72.3.1轮式机器人72.3.2履带式机器人82.3.3腿式机器人92.3.4其它形式机器人92.4行走方案的确定112.5本章小结113机器人行走机构的机械设计133.1机器人行走机构总体方案133.1.1主传动系统设计143.1.2摆臂方案设计143.2机器人行走机构具体设计153.2.1主传动系统的具体设计153.2.2摆臂方案的具体设计383.3本章小结424电气系统的分析与设计434.1数据采集单元电路434.1.1A/D转换电路设计43V 目录4.1.2高速光耦电路设计454.1.3串行通信电路设计464.1.4单片机程序设计474.2运动控制单元电路484.2.1后轮电机驱动电路484.2.2摆臂电机驱动电路494.2.3串行通信电路设计504.2.4单片机程序设计514.3编码器解析单元电路554.3.1电路设计554.3.2单片机程序设计564.4本章小结575结论58参考文献：59翻译部分：61英语原文61中文翻译68致谢72V 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文1绪论1.1引言第一代工业机器人(1956年)问世至今已整整60年了。机器人日益成为传统机构学和近代电子计算机技术的主要结合点，也成为二十一世纪高科技发展的一个重要内容。现在，一般说来，国际上对机器人的概念，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和克编程动作的专门系统。在机器人发展的历史上,存在着两条不同的技术路线:一条是日本和瑞典所走的“需求牵引，技术驱动”的路线，把美国开拓的机器人，结合工业发展的需求，开发出一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆、装配、刷胶、建筑等，从而形成了庞大的机器人产业；另一条路线是把机器人作为研究人工智能的载体，看成计算机科学的一部分，即从单纯技术上模仿人的某些功能出发，研究智能机器人，如美国、英国相当一部分大学及研究经济界研究所所做的，由于人工智能和其他智能技术的发展远落后于人们对它的期望，致使绝大部分研究成果始终走不出实验室。因此，被誉为“中国机器人之父”的蒋新松院士曾提出“我们必须对需要与可能二者作认真的研究，按‘需求牵引，技术导向’的原则，才能得出正确的研究方向，制定出一个可行的技术路线。1.2设计背景、意义1.2.1设计的背景和意义我国是一个产煤大国，是一个严重依赖煤炭能源的国家，但也是矿难多发国。煤炭行业作为我国国民经济主要传统行业之一，年产量约占世界35%，但中国矿难的死亡人数却占世界的80%。最让人痛心的乃是中国煤矿百万死亡率是美国的100倍、南非的30倍！挺拿最近在国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局网站上公布一些数字来看，可以说触目惊心：2008年9月4日辽宁阜新市河西镇八矿发生瓦斯爆炸27人遇难；2008年9月20日，黑龙江省鹤岗市兴山区富华煤矿发生井下火灾事故，31人遇难。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文2009年2月22日山西焦煤集团屯兰矿“2.22”瓦斯事故共78名矿工遇难……我国煤矿事故发生的原因极为复杂，是偶然性和必然性的结合。由于大多数为井工开采，不安全因素很多，瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生，灾害事故危害严重，伤害人员多，中断生产时间长，损毁井巷工程或生产设备。各类灾害事故还存在突发性、灾难性、破坏性和继发性等特点。目前，救灾方式只是根据事故的类型确定救灾的方案，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过采用提升绞车清除垃圾、移动式风车向井下通风，然后再搜救遇险矿工。这种方式危性大，伤亡人数多，救灾周期长，往往效率低，因此，研究救灾新装备是一项紧迫的任务。从煤矿救灾的“需求牵引”上分析，如果能使用救灾机器人代替或辅助救护人员进行井下灾害救助不失为一种提高矿井救灾效率的有力途径。这是由于在井下发生灾害时，受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，救护人员很难接近或到达灾害的现场，而机器人却有可能进入或比救护人员更接近灾区。另外，机器人先于救护人员对灾区进行探测，对救灾人员的生命也多了一份保障。在很多条件下，机器人进入灾区的时间都将比救灾队员所需要的更短。从煤矿救灾的“技术导向”上分析，将具有一定智能扽救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境“搜索和营救”幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。世界上许多国家都在研制军用机器人、扫雷机器人、排爆机器人和消防机器人等危险作业机器人。救灾机器人是机器人的一个新兴发展领域，属于危险作业机器人的一个分支，具有危险作业机器人的特点。救灾机器人利用自身的优点，能迅速找到井下遇险矿工的位置，降低事危害性，对提高救灾效率具有重大意义，具体表现为：⑴机器人具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境。⑵机器人的探测技术发展迅速，能迅速找到井下遇难矿工的位置。机器人利用传感器通过探测井下遇难矿工的呻吟声、体温的变化及心脏跳动的频率的信息能找到他们的位置。其次，机器人的视频探测器（CCD摄像头）具有信息直观、能实现计算机辅助控制等特点，可以将现场环境的图像返回到救灾中心，为进一步控制机器人的运动方向，制定下一步救灾的方案提供决策依据。最后，机器人还能进入井下区域，监测事故现场（如温度、瓦斯以及有害气体的浓度）的变化，防止事故的二次发生。⑶机器人具有为井下遇难矿工投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能，可以有效减少遇难矿工的伤亡人数。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文综上所述，煤矿救灾机器人的研制，对煤矿安全生产，建立特种危险环境下的工业救灾具有十分重要的意义。同时，救灾机器人又是机器人研究的热门领域，但目前国内外研制救灾机器人大都集中在地面火灾和地震等自然灾害的救灾，而对矿井地下救灾机器人的研制基本属于空白。研制救灾机器人已成为了我国煤矿生产的迫切需要。对于矿井内的搜救机器人的研制，技术上有很多难题需要解决，国内还没有现成的具解决方案，这也正是我们需要研究的意义所在。1.3设计基础在本设计之前，已经有许多研究人员和研究公司对非结构环境移动机器人进行了许多方面的工作。这些都是非常有价值的参考资料。我们试验室已制作出包括“CUMT-1”型双履带式机器人等五台样机，如图1-1，并进行了多次室内、室外和模拟环境的试验，积累了许多宝贵的数据与设计经验，这些也是非常有价值的参考资料。图1.1双履带机器人“CUMT-1”实验照片在CUMT-1试验时,试验人员发现该机器人存在以下不足：⑴在翻越垂直障碍和沟槽的过程中,机器人存在卡链、托扣等现象,传动系统可靠性不高.机器人越障后,履带无缓冲,着地时冲击大,对内部控制电路和传动系统都具有破坏性。⑵机器人越障时，整体稳定性不高，车体摆动较大，对图像采集非常不利。同时，机器人的越障性能也有待提高。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文⑶机器人的续航能力差，CUMT-1型在额定功率状态下运行时间不超过2.5小时。⑷整体的密封性设计欠缺。在试验中这些缺点非常突出，并直接影响了机器人运行的稳定性。1.4国内外研究与应用现状对于矿井救灾机器人的研究工作，美国起步较早，已有多家高校或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76ｍ。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Ｓｉｍｂｏｔ矿井搜索机器人，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２款全自主矿井探测机器人Ｇｒｏｕｎｄｈｏｇ和Ｆｅｒｒｅｔ。Ｇｒｏｕｎｄｈｏｇ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１９ｋｍ／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。机器人雪貂用于矿井钻孔探测，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、活动云台摄像机、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４ｈ。由Ｒｅｍｏｔｅｃ公司制造的Ｖ２煤矿救援机器人，大约５０英寸高，１２００英磅重，使用防爆电动机驱动橡皮履带。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２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。　　国内研究矿井救灾机器人的工作相对较晚，研究机构也相对较少，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.台用于煤矿救援的CUMT-1 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文型矿井搜救机器人，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。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。1.5本章小结本章从机器人的发展史出发并结合我国煤炭生产的安全现状引出我国目前发展煤矿救灾机器人的可行性及紧迫性。并简要介绍了国内外煤矿救灾机器人研究和应用的现状。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文2行走机构方案确定对于机器人行走机构而言,腿式机器人运动速度过慢,无法满足于救灾的时效要求，这里不作讨论。而轮式和履带式各有其忧缺点，本章从分析矿井发生灾害后的非结构环境的特征入手，结合现有的技术条件和知识储备，通过典型特征分析的方法讨论两者在非结构环境中的性能。从而得出轮式机器人相对于履带式机器人在救灾应用中的优点。2.1煤矿灾害现场特征煤矿开采必须从地面向地下开掘一系列井巷（本文不对露天采矿进行分析），其正常生产过程的自然条件比较复杂，环境恶劣。巷道路面多积水，有矿车轨道、水沟、风管、线缆等障碍物；支巷道路面窄而不平，多有斜坡；工作面的路面坡度大，有碎煤、支撑、滑道等障碍。灾害发生后，脱落的顶板、岩石煤块等形成新的障碍物。复杂的路况要求井下机器人要有较强的越障、避障能力和行驶功能恢复能力。下面对矿井主要存在的瓦斯、煤尘、顶板、火、水五大灾害进行简要说明。⑴瓦斯、矿尘灾害。根据瓦斯-粉尘-空气混合气体燃烧、爆炸时的火焰传播速度及冲击波的大小，瓦斯爆炸有三种：速燃，火焰传播速度在10m/s以内，冲击波压力较小。它可以使人烧伤，引起火灾；爆燃，火焰的传播速度在音速以内，冲击波压力较大，对人和设备有较强的杀伤力和摧毁作用；爆炸，火焰的传播速度超过音速，达到每秒数千米，冲击波压力达到数个至数十个大气压，对人和设备具有强烈的毁灭作用。救护人员往往由于高温而无法接近灾区.此外,灾害过后,井下通风系统常受到破坏,使井下气候发生明显的变化,常见瓦斯和粉尘浓度增大,灾变区域的温度、湿度增加，风量减少。所以，二次瓦斯爆炸的危险也常常是影响救护队员及时下井救护的一个主要因素。机器人的移动系统除要能够适应瓦斯和煤尘发生爆炸后的非结构环境外，为了防止煤尘和积水进入车体内部和运动副，厢体要进行密封、防水设计。为能在高瓦斯下安全工作，控制系统需要进行矿用隔爆或本案型设计，电子元件在井下温度变化范围也应能可靠地工作。⑵顶板灾害。在地下采掘过程中，由于矿山压力的作用，顶板会垮塌。如果顶板管理工作出现漏洞或者地层变动等原因，则可能会发生顶板事故。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文⑶火灾。矿井火灾也是煤矿生产中的主要灾害之一，一旦发生矿井火灾，不但会造成煤炭资源的损失，打乱各项工作的布置，还会造成瓦斯、煤尘爆炸，使灾害程度和范围扩大。⑷水灾。矿区内的大气降水、地表水、地下水通过各种通道涌入井下，称为矿井涌水。当矿井涌水量超过矿井正常的排水能力时，就将发生水灾。为保证矿井正常建设与生产，必须采取各种措施防止水进入矿井或者将进入矿井的水排至地面，但当矿井涌水超过正常排水能力，或在采掘工作时挖掘工作时挖透老塘积水或岩溶等地下水时，就会造成水害。积水有时会突然逼通煤墙倾斜而出，矿工退避不及导致伤亡事故。矿井发生水灾后，排水前还要对水源量进行调查，这些都不可避免地对救灾工作造成延误。由以上简要分析可见，各类灾害事故普遍存在突发性、灾害性、破坏性和继发性的特点，灾害后的情况各家难以预料。只能把针对有限目标的实际应用放在首位，机器人并不是“万能”的。因此，本设计的救灾机器人把目标限定为瓦斯、粉尘爆燃后的辅助救援工作。2.2矿井灾害的非结构环境特征非结构环境是复杂、未知、多样的三维地形，包括平坦地面、斜面、障碍、台阶、沟壕、浅坑等地形。而井下发生灾害后，工作环境会遭到不同程度的破坏，因此机器人的移动机构对井下环境的适应也可以说是对于非结构环境的适应。通过对这些不同地形的分析，我们发现各种复杂地形都是由于少数几种基本的地形特征构成，我们称之为“典型地形特征”。常见的典型地形特征有三种，即水平面、倾斜面和垂直面障碍。常见的大多数非结构环境的地形都可以视为这三种地形特征不同形式的组合，如沟壕可视为下垂直障碍和上垂直障碍的组合，阶梯可视为连续垂直障碍的组合。如果移动机器人能够以某种动作或动作序列适应这几种典型地形，则可以通过动作序列的有效组合达到适应这几种典型地形，则可以通过动作序列的有效组合达到适应复杂三维的目的。2.3行走机构方案选择与确定2.3.1轮式机器人 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文轮式行走系统在相对平坦的地形中具有相当的优势，运动速度迅速、平稳，结构和控制也较简单，很多机器人的行走系统都设计成轮式结构。由于轮式移动系统比较适合平缓的环境，大多数的研究者通过选择合适的悬架系统来使其适应凹凸不平的地形。目前出现的机器人轮式行走系统有单轮、两轮、四轮、五轮、六轮以及多轮等几种形式。下面列举一些具有代表意义的典型结构。四轮式机器人:美国喷气推进实验室(JPL)在非结构环境特别是行星表面科学探测车技术方面处于领先水平。Nanrover是JPL研制的一种小型四轮可旋转支架式探测车，四个轮子通过摆臂与车体中心的一根轴相连。这是一部非常轻巧的探测车,其重量仅为1.5kg。NASA的“火星科学实验”正在研制另一种四轮机器人，其前后轮均采用了三维互动悬挂结构。日本东芝公司也研制了四轮火星探测机器人，四个轮子均采用独立的弹性悬挂系统，其中前轮带有摆臂，可以引导车身爬上较高的台阶。五轮、六轮式机器人：日本NASDA的Micro5是典型的五轮式探测车。他的四个轮子是驱动轮，另外一个中间轮是支撑轮。采用的是“五级辅助悬挂”行走系统。Micro5机器人系统全重约5kg，整体尺寸为55×53×25cm，越障高度13cm，爬坡能力40°，行走速度1.5cm/s。由中国科学技术大学研制的高机动性越障机器人行走系统采用六轮形式。行走系统有前部叉式双摆杆越障机构、车身、平行四边形支撑机构以及后轮支撑机构组成，外形像个大蜘蛛。该行走系统可以越过高于轮子直径1.5倍的垂直障碍。在攀越单侧小型障碍时，前后轮可以分别攀越，从而保证了整个机构平稳越障。在六轮机器人中，最具代表性的可能要数NASAyanzhi的火星系列机器人了。自1989年来，NASAkaishi研究质量在5-50千克之间的Rocky系列微型漫游者。在“索杰纳”、“勇气好”和“机遇号”中都采用了同一种类型的机械结构——“rocker-bogie”。这种结构没有涉及轴与弹簧，但可以很好避开障碍物。可以使六个轮子都着地，而且还能使机器人倾斜45°而不倒。机器人六个轮子中，每个都有独立的驱动电机。前面两个轮子可以分别控制其运动，使机器人向需要的地方运行。国内的一些探月机器人上也能看到类似的结构。2.3.2履带式机器人履带式行走系统具有较好的越障性能，较强的适应和使用寿命。但其往往重量大，且能耗高。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文日本大阪大学研制出蛇形履带机器人，能在高低不平的废墟上前进，每节的周围都布有履带。美国iRobot公司研制了“PackBot"系列机器人，在普通双履带底盘的基础上添置了一对前摆臂，在一定程度上增加了它的适应能力。InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV，机身履带可变为，采用电缆控制，含有直视的彩色或黑白摄像头，并带有微型话筒和扬声器，可以用于与压在废墟中的幸存者通话，适用于在小的孔洞和空间中执行任务。北京航天航空大学机器人研究所提出的模块化可重构履带结构是一种新型的非结构环境移动机器人行走系统。2.3.3腿式机器人腿式行走系统在机动性和能效方面优于轮式系统，由于腿式行走系统的落足点时几个离散的位置点，可以越过更复杂的障碍，窜过更崎岖的地形，具有较强的越野能力。腿式行走系统能够自主隔振。可以保证传感器和科学设备沿平滑预定的轨迹运行。美国卡内基-梅隆大学和美国航空航天局合作开发了Dante系列机器人。DanteⅡ高3m，宽6m,重770kg，速度1m/min，步长1.1m，最大可跨越障碍1.27m，最大单步转弯11°.1994年7-8月，DanteⅡ对距安克雷奇145千米的斯帕火山进行考察，传回了数据机图像。仿生腿式机器人是腿式机器人中的重要成员，也是腿式机器人研究热点，其利用仿生移动的原理进行行走和越障。诸如美国军方研制的四足机器人有良好的鲁班性，即使被踹一脚也不会摔倒，可以自动快速恢复状态，能够适应各种路面。2.3.4其它形式机器人日本东京工业大学研制的可重构机器人“SMCRover”由母机器人和多个子机器人组成。其中母机器人本身不能移动，只有在与子机器人结合后成为轮式移动机器人。而子机器人既可以做母机器人的单个轮子，也可以由2个子机器人连接在一起，用连接臂做平衡和转向的车体部分从而单独做行星探险机器人。中国科学院沈阳自动化研究所的可重构星球探测机器人也有类似的结构。中科院机器人重点实验室研制的CLIMBER机器人采用的也是复合式行走系统。机器人由轮、腿、履带复合构成，具有翻越障碍、楼梯，跨越壕沟，在倾斜面上行走，倾倒自行复位的功能。机器人外形尺寸80×72×48cm，轮式移动10m/min、履带移动5m/min，最高翻越障碍28cm。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文其它特殊形式的移动机器人也是各有各的有缺点，如单边轮用一个轮子代替整个车体，很好地利用了圆这种几何结构的地形适应能力，避免了车底净高等护驾几何约束对车辆地形适应能力的限制，大大减少体积，增加了机动性和灵活性，但这种机器人控制复杂，越障能力低。球形轮在各方向上的截面都是圆，具有很好地地形适应能力，但控制也相对复杂。综上所述，国内外研究开发了许都种非结构环境的移动机器人行走系统，轮式、腿式、轮腿式、履带式和其它复合形式的机器人特点如表2-1所列，它们的行走系统对比如表2-2所列。表2-1国内外具有代表性的行走系统比较机器人名称国家/单位结构形式行走系统尺寸(m)越障高度（m）爬坡角度越障H与行走系统L比Gyrover美国/CMU单轮///0.43Scout美国/明达苏达双轮///0.46Nomand美国NASA、CMU四轮轮径0.7110.5/0.7Micro5日本五轮轮径0.10.1340度1.3Rocker美国/NASA六轮轮径0.220.3335度1.5Daedalus美国/CMU四足高1.5-2.5130×40度0.4-0.67Ambler美国/CMU六足高4.161.9/0.46DanteⅡ美国/NASA、CMU八足高3，宽3.61.27/0．43模块重构履带机器人北航履带0.3×0.1×0.110.260度1.82CLIMBER中科院复合0.78×0.64×0.440.43/1 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文表2-2各类行走系统优缺点比较移动方式优点缺点轮式高速、高效越障能力较差腿式地形适应能力强速度低，效率低、控制复杂履带式地形适应能力强重量达，能耗大轮腿/复合式高速高效，地形适应能力强控制比较复杂2.4行走方案的确定根据以上的定性分析，本文选用轮式作为驱动单元。但对于非结构环境，普通轮式机器人仍需要进行改进以提高其适应性。除越障性能需要提高外，另一个原因是机器人在复杂的非结构环境地形虚假的性能除了取决于其在典型地形特征下的性能以及典型地形特征的组合参数以外，还受机器人对典型地形特征之间过渡得适应性的影响。因此，本文所设计的机器人结构设计思路集中在对普通轮式构型进行改进。设想在轮式机器人前面加一对摆臂,这样在较为平坦的地段可以把摆臂收起来变形为轮式,快速推进,节省探测时间；也可以发挥摆臂能够适应各种障碍的优点。对非结构环境的地形及变形情况如图2-1图2-1机器人地形适应示意图2.5本章小结 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文本章从对井下工况条件分析得出应以典型地形特征为越障对象，结合目前的研究基础以及现有的技术条件，通过对轮式、履带式机器人和其它形式的机器人的定性分析，确定煤矿救灾机器人采用轮式作为驱动模块。同时考虑到轮式行走机构的特点，给其加上摆臂使得轮式行走机构的越障能力提高。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文3机器人行走机构的机械设计3.1机器人行走机构总体方案机器人采用对称结构，摆臂运动单元不仅能够实现车轮自身的旋转运动，而且能够绕主动轮中心摆动，车轮之间为机器人的主体部分，可装载控制系统、数据采集模块及其他各种设备。为保证机器人在矿井内部的良好通过性，对摆臂的长度、驱动轮直径、车体长度以及机器人的整体尺寸等进行综合考虑。同时在煤矿煤尘爆炸事故后的探测营救过程中，救护人员在井下高温环境下负重作业，其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和动力以及良好的续航能力。依此方案设计的机器人分配为：两边的主转动轮为2自由度；两条摆臂车轮转动为2自由度；两摆臂各自的摆动为2自由度。这样机器人总共需要6自由度，需要6个电机，由于机器人尺寸、总质量、驱动功率以及防爆要求等限制，必需在不影响机器人运动能力的前提下，尽可能的减少电动机的数量。因此，将主转动轮的驱动用2个自由度，把两个摆臂连成一体共用1个自由度，这样机器人共有3个自由度，需要3个驱动电动机。机身结构如图3-1所示。图3-1机身总体结构图 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文3.1.1主传动系统设计主传动机构是由驱动电机、圆柱齿轮副、星齿轮减速器和链传动组成，主传动机构系统如图3-2所示：图3-2主传动机构图备注：1驱动电动机，2传动大齿轮，3电机固定板，4传动小齿轮，5行星减速器，6链轮。主传动系统中驱动电机1经过圆柱齿轮副2和行星齿轮减速器5将驱动动力传给链轮6。然后链轮6再把动力传递给轮边的链轮。3.1.2摆臂方案设计在机器人的两个前臂运动单元中，除了链轮的旋转驱动外，还有摆臂的摆动。如图3-3所示： 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文图3-3摆臂机构图备注：1小齿轮，2电机安装底座，3电机，4轴承套，5摆臂，6链轮，7大齿轮，8轴承，9传动轴。电机3经过小齿轮将驱动动力传给大齿轮7，大齿轮7通过螺栓联接将动力传给摆臂，从而实现摆臂绕从动轮中心转动。传动轴9与大齿轮7之间有轴承连接两个运动相互独立，互不干涉。传动轴9把动力传给链轮6，链轮6与摆臂5的运动相互独立。3.2机器人行走机构具体设计3.2.1主传动系统的具体设计⑴主电机功率估算轮式煤矿救援机器人设计数据：①车体重量：车体总重310Kg②最高运行速度：60m/min③最大爬坡高度：30°④轮与地面的摩擦系数：0.7⑤机器人工作阻力：机器人的受力模型如图3-4所示。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文图3-4机器人受力分析模型==3360.7N(3-1)电机的最大输出功率为：(3-2)其中为机器人行走的最大速度。由于左右两轮各用一个电机同时驱动，所以每个电机的最大输出功率为：(3-3)直流伺服电机的效率一般为70%—80%，取电机的效率为80%。一级行星齿轮减速器的传动效率一般为0.9—0.95，取减速器的效率为93%，则传动系统的总效率为：(3-4)所以电机的功率为：(3-5)考虑到电机的功率储备和链条的摩擦及其他功率消耗，取安全裕量系数S=1.4,则希望的电机个功率为：(3-6)⑵主电动机的选择根据电机的功率需要选定电动机型号为360SXP-CM02。绕线盘式电枢直流伺服电动机及机组是近年来发展来的新型力能元件。其电枢为无铁心盘式结构，具有转动惯量小、时间常数小，无铁损、效率高，换向性能好和电刷寿命长等特点。通常与电磁制动器、测速发电机及光编码器同轴安装构成机组。可广泛用于复印机、计算机外围设备、电动自行车、汽车及机器人。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文360SXP-CM02技术数据：额定功率/kw额定电压／V额定电流／I输出转速r/min瞬时最大转矩N.m4.516532180099.3⑶传动比的分配与各轴传动参数计算①传动比的分配图3-5主传动系统原理图主传动系统的总传动比为：(3-7)根据两级减速的不同特点，将传动比分配如下：直齿圆柱齿轮的传动比行星齿轮减速器的传动比②各轴传动参数的计算转速计算：第Ⅰ轴转速(3-8)第Ⅱ轴转速(3-9) 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文功率计算：第Ⅰ轴功率(3-10)第Ⅱ轴功率(3-11)各轴扭矩计算：第Ⅰ轴扭矩(3-12)第Ⅱ轴扭矩(3-13)⑷直齿圆柱齿轮的设计计算①选择齿轮材料，确定许用应力由《机械设计》表6.2选小齿轮40Cr调质HBS1=260HBS大齿轮45正火HBS2=260HBS许用接触应力，由《机械设计》式6-6接触疲劳极限查《机械设计》图6-4得接触强度寿命系数假设清车机每年工作300天，预期寿命10年应力循环次数N由《机械设计》式6-7(3-14)(3-15)查《机械设计》图6-5得接触强度最小安全系数则所以许用弯曲应力由《机械设计》式6-12(3-16)弯曲疲劳极限查《机械设计》图6-7得弯曲强度寿命系数查《机械设计》图6-8得弯曲强度尺寸系数查《机械设计》图6-9（设模数m小于5mm）得弯曲强度最小安全系数则 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文②齿面接触疲劳强度设计计算确定齿轮传动精度等级，按估取圆周速度，参考《机械设计》表6.7、6.8选取Ⅱ公差组8级。小轮大端分度圆直径，由《机械设计》式6-5得(3-17)齿宽系数查《机械设计》表6.9，按齿轮相对轴承为非对称布置小轮齿数选=27大论齿数齿数比传动比误差小轮转矩N·㎜载荷系数(3-18)—使用系数查《机械设计》表6.3得—动载系数由推荐值1.05~1.4得—齿间载荷分布系数由推荐值1.0~1.2得—齿向载荷分布系数由推荐值1.0~1.2得载荷系数材料弹性系数查《机械设计》表6.4得节点区域系数查《机械设计》图6-3得重合度系数由推荐值0.85~0.92得故齿轮模数m按《机械设计》表6.6圆整m=2mm小轮大端分度圆直径圆周速度标准中心距齿宽b大轮齿宽小轮齿宽③齿根弯曲疲劳强度校核计算 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文由《机械设计》式6-10(3-19)齿形系数查《机械设计》表6.5得小轮大轮应力修正系数查《机械设计》表6.5得，小轮：大轮：重合度重合度系数故，齿根弯曲强度满足。④齿轮其它主要尺寸计算大轮大端分度圆直径根圆直径顶圆直径⑸2K—H型行星齿轮传动系统的设计计算①齿轮的设计1）基本参数选择太阳轮和行星轮材料为20CrNiMoA，表面渗碳淬火处理，表面硬度为57~61HRC。试验齿轮齿面接触疲劳极限试验齿轮齿根弯曲疲劳极限太阳轮行星轮(对称载荷)齿形为渐开线直齿。最终加工为磨齿，精度为6级。内齿圈材料为42CrMo，调质处理，硬度为262~302HBS试验齿轮的接触疲劳极限 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文试验齿轮的弯曲疲劳极限齿形的最终加工为插齿，精度为7级。传动比行星轮数目载荷不均衡系数低速级采用太阳轮浮动的均载机构，查表7-3，取2)配齿计算用比例法配齿，由传动比条件、同心条件和装配条件，联立得：，带入上式得，实际传动比3)、齿轮模数及中心距首先计算太阳轮分度圆直径(3-20)式中u——齿数比为：——使用系数为1.1——算式系数为768——综合系数为2.0——太阳轮单个齿传递的转矩其中——齿宽系数暂取：代入 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文模数取中心距齿宽4)、几何尺寸计算分度圆齿顶圆齿根圆基圆直径其中，齿顶高系数太阳轮、行星轮内齿轮顶隙系数:太阳轮、行星轮:内齿轮:代入上组公式计算：太阳轮行星轮内齿轮5)、啮合要素验算a-g传动端面重合度 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文(3-21)式中、分别表示太阳轮和行星轮的齿顶圆的压力角，为啮合角g-b传动端面重合度式中、分别表示内齿轮和行星轮的齿顶圆的压力角，为啮合角6）、齿轮强度验算a-g传动，a)太阳轮强度计算：确定计算负荷名义转矩：名义圆周力：b)应力循环次数==600r/min=60r/min=-=600-60=540r/min式中，——太阳轮相对于行星架的转速(r/min);T——寿命期内要求传动的总运转时间(h),寿命10年，每天工作8h 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文c)确定强度计算中的各种系数使用系数，根据对使用负荷的实测与分析，取=1.25动负荷系数因=18<50，可根据圆周速度v==由图5-1查得（6级精度）：=1.05齿向载荷分布系数、得(3-22)(3-23)式中，——计算接触强度时运转初期（未经跑合）的齿向载荷分布系数，由图5-2查得=1.11（=0.75）——计算接触强度时的跑合影响系数，由图5-5查得=0.65(v=0.94m/s,>450)——计算弯曲强度时的运转初期（未经跑合）的齿向载荷分布系数，由图5-4查得=1.15（b/m=13.5）——计算弯曲强度时的跑合影响系数，由图5-5查得=0.9(v=1.02m/s,>450)——与均载系数有关的系数，=0.7——与均载系数有关的系数，=0.85则=1+(1.15-1)×0.65×0.7=1.05=1+(1.15-1)×0.85×0.85=1.11d)齿间载荷分布系数及因，精度6级，硬齿面直齿轮由表5-9查得==1.2e)节点区域系数可查图5-13=2.26f)载荷作用齿顶时的齿形系数根据由表5-8和图5-11d查得 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文g)载荷作用齿顶时的应力修正系数由表5-11和图5-20a查得h)重合度系数、i)螺旋角系数、因=0，=得=1=1-得=1g)弹性系数=189.87)、齿数比u8)、计算接触应力的基本值=(3-24)9)、接触应力=(3-25)=10)、弯曲应力的基本值=(3-26)11)、齿根弯曲应力=(3-27) 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文12)、确定计算许用接触应力时的各种系数a)寿命系数因，由图5-19得b)润滑系数由图5-14取=1.03c)速度系数因v=1.02m/s和由图5-15得=0.95d)粗糙度系数因>1200MPa和齿面=1.66=9.6由图5-16查得=0.9e)工作硬化系数因大小齿轮均为硬齿面，且齿面=9.6>6由图5-17查得=1.0f)尺寸系数由图5-18查得=1.013)、许用接触应力(3-28)==1280.49MPa接触强度安全系数14)、确定计算许用弯曲应力时的各种系数a)实验齿轮的应力修正系数=2.0b)寿命系数因查图5-25得=0.80c)相对齿根圆角敏感系数由，由图5-22查得=0.96d)齿根表面状况系数=0.925e)尺寸系数可查图5-24=1f)许用弯曲应力(3-29)= 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文15)、弯曲强度俺去系数行星轮强度计算a)确定计算负荷名义转矩名义圆周力b)应力循环次数==60r/min=-=-75-60=-135r/min式中——太阳轮相对于行星架的转速(r/min);T——寿命期内要求传动的总运转时间(h),寿命10年，每天工作8hc)确定强度计算中的各种系数使用系数根据对使用负荷的实测与分析，取=1.25动负荷系数可根据圆周速度v==由图5-1查得（6级精度）：=1.05d)齿向载荷分布系数、得(3-30)(3-31)式中——计算接触强度时运转初期（未经跑合）的齿向载荷分布系数，由图5-2查得=1.11（=0.75）——计算接触强度时的跑合影响系数，由图5-5查得=0.68(v=1.02m/s,>450)——计算弯曲强度时的运转初期（未经跑合）的齿向载荷分布系数，由图5-4查得=1.15（b/m=13.5） 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文——计算弯曲强度时的跑合影响系数，由图5-5查得=0.90(v=1.02m/s,>450)——与均载系数有关的系数，=0.7——与均载系数有关的系数，=0.85则=1+(1.11-1)0.680.7=1.05=1+(1.15-1)0.900.85=1.11e)齿间载荷分布系数及因，精度6级，硬齿面直齿轮由表5-9查得==1.2f)节点区域系数可查5-13g)载荷作用齿顶时的齿形系数由表5-8和图5-11d查得h)载荷作用齿顶时的应力修正系数由表5-11和图5-20a查得i)重合度系数、j)螺旋角系数、因=0，=得=1=1-得=1k)弹性系数=189.816)、齿数比u17)、计算接触应力的基本值=(3-32) 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文18)、接触应力=(3-33)=19)、弯曲应力的基本值=(3-34)20)、齿根弯曲应力=(3-35)21)、确定计算许用接触应力时的各种系数a)寿命系数因，由图5-19得b)润滑系数由图5-14取=1.03c)速度系数因v=1.02m/s和由图5-15得=0.95d)粗糙度系数因>1200MPa和齿面=1.66=9.6由图5-16查得=0.9e)工作硬化系数因大小齿轮均为硬齿面，且齿面=9.6>0.6由图5-16查得=1.0f)尺寸系数由图5-18查得=122)、许用接触应力(3-36)==1608.95MPa接触强度安全系数 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文23)、确定计算许用弯曲应力时的各种系数a)实验齿轮的应力修正系数=2.0b)寿命系数因查图5-25得=0.95c)相对齿根圆角敏感系数由，由图5-22查得=1.0d)齿根表面状况系数=0.925e)尺寸系数可查5-24=124)、许用弯曲应力(3-37)=25)、弯曲强度俺去系数g-b传动a)内齿轮强度计算确定计算负荷名义圆周力b)应力循环次数==0r/min=60r/min=-=60r/min式中,——太阳轮相对于行星架的转速(r/min);T——寿命期内要求传动的总运转时间(h),寿命10年，每天工作8hc)确定强度计算中的各种系数使用系数根据对使用负荷的实测与分析，取=1.25b)动负荷系数圆周速度v== 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文由图5-1查得（7级精度）：=1.05c)齿向载荷分布系数、得(3-38)(3-39)式中——计算接触强度时运转初期（未经跑合）的齿向载荷分布系数，由图5-2查得=1.10（=0.75）——计算接触强度时的跑合影响系数，由图5-5查得=0.33(v=1.0m/s,=280)——计算弯曲强度时的运转初期（未经跑合）的齿向载荷分布系数，由图5-4查得=1.15（b/m=13.5）——计算弯曲强度时的跑合影响系数，由图5-5查得=0.5(v=1.0m/s,=280)——与均载系数有关的系数，=0.7——与均载系数有关的系数，=0.85则=1+(1.10-1)0.330.7=1.02=1+(1.12-1)0.500.85=1.05d)齿间载荷分布系数及因，精度7级，硬齿面直齿轮由表5-9查得==1.2e)节点区域系数可查5-13f)载荷作用齿顶时的齿形系数由表5-8和图5-11d查得g)载荷作用齿顶时的应力修正系数由表5-11和图5-20a查得h)重合度系数、i)螺旋角系数、因=0，=得=1=1-得=1 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文g)弹性系数=189.826)、齿数比u27)、计算接触应力的基本值=(3-40)28)、接触应力=(3-41)=29)、弯曲应力的基本值=(3-42)30)、齿根弯曲应力=(3-43)31)、确定计算许用接触应力时的各种系数a)寿命系数因，由图5-19得b)润滑系数由图5-14取=1.04c)速度系数因v=1.0m/s和由图5-15得=0.92d)粗糙度系数由图5-16查得=0.8e)工作硬化系数因大小齿轮均为硬齿面，且齿面=9.6>0.6由图5-16查得=1.11f)尺寸系数由图5-18查得=0.96 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文32)、许用接触应力(3-44)==581.2MPa接触强度安全系数33)、确定计算许用弯曲应力时的各种系数a)实验齿轮的应力修正系数=2.0b)寿命系数因查图5-25得=0.9c)相对齿根圆角敏感系数由，由图5-22查得=1.06d)齿根表面状况系数=0.925e)尺寸系数=0.92234)、许用弯曲应力(3-45)=35)、弯曲强度俺去系数②减速器轴的设计1)、行星轮轴的设计与轴承的选择轴的最小直径计算：在相对运动中，每个行星轮轴承受稳定载荷，当行星轮相对于行星架对称布置时，载荷则作用在轴跨距的中间。取行星轮与行星架之间的间隙则跨距长度，当行星轮在转臂中的配合选为时，就可以把它看成是具有跨距为的双支点梁，轴沿整个跨距承受均布载荷危险截面（在跨度中间）内的弯矩：(3-46)行星轮轴采用45号钢调质，考虑到可能的冲击振动，取安全系数，则许用弯曲应力： 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文故行星轮直径：(3-47)取2）轴的结构设计与轴承的选择图3-6行星轮轴在行星轮安装两个轴承，每个轴承上的径向载荷在相对运动中，轴承外圈以转速转。考虑到行星轮轴的直径，同时考虑到结构的需要选轴承6307其参为：取载荷系数当量动载荷轴承的计算寿命(3-48)三年寿命时间为轴承寿命合格。轴的具体结构如图3-6所示。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文3)、输出轴的设计与轴承的选择轴的最小直径计算：首先计算减速器的效率和各轴上的扭矩，当不考虑轴承损失时，减速器的效率(3-49)式中(3-50)(外啮合效率，内啮合效率)考虑到减速器内齿轮轴承损失时，减速器的总效率式中为每对轴承的效率，由前面计算可知主动轴上的扭矩行星齿轮减速器输出轴上的扭矩(3-51)输出轴选用45钢，其许用剪切应力即求出输出轴的最小直径为：(3-52)取4)、轴的结构设计与轴承的选择图3-7输出轴由行星轮轴承的计算可知，轴承轴向载荷的较小，所以轴承的尺寸由结构来确定。轴的具体结构如图3-7所示。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文轴承选择如下：6310618245）、输出轴键的校核键的型号为勾头楔键，b=12mmh=8mmmL=60mm小于。(3-53)键的强度满足条件。6）输出轴的设计与轴承的选择a)轴的最小直径计算输入轴只承受转矩，输入轴选用钢，其许用剪切应力，则输入轴直径取b)轴的结构设计与轴承的选择图3-8输入轴由行星轮轴承的计算可知，轴承轴向载荷的较小，所以轴承的尺寸由结构来确定。轴的具体结构如图3-8所示。轴承选择如下：16007c)输入轴键的强度校核键的型号圆头普通平键（A型），b=8,h=7,L=40小于。(3-54)键的强度满足条件。⑹链传动的设计 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文①链轮的设计减速器输出轴的转速为传递的功率为1)选择链轮齿数和小链轮齿数大链轮齿数2)确定链节数初取中心距，则链节数为(3-55)取3)确定链节距载荷系数查《机械设计》表5.4得小链轮齿数系数查《机械设计》表5.5，估计为链板疲劳则多排链系数查《机械设计》表5.6，得链长系数查《机械设计》图5-13，得由《机械设计》式5-9(3-56)根据小链轮转速和，查《机械设计》图5-12，确定链条型号为16A，4)链条长度5)确定中心距由《机械设计》式5-12知，(3-57)6)验算链速小于0.6m/s，其主要失效形式是链条的静力拉断，故应进行静强度校核。7)计算压轴力链条工作拉力压轴力系数 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文由《机械设计》式5-138）静强度校核大于8满足静强度条件。②链轮的尺寸选用三圆弧一直线齿形，这种齿形与滚子啮合时的接触应力小，且作用角随齿数增大而增大，啮合性能好。根据GB/T1243-1997主要尺寸如下：分度圆直径：齿顶圆直径:齿根圆直径：3.2.2摆臂方案的具体设计⑴摆臂轴的设计图3-9摆臂轴①计算作用在轴上的力对轮子的支撑力链轮的转矩 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文链轮的轴压力②初步估算州的直径选取45号钢作为轴的材料，调质处理。由式8-2计算轴的最小直径并加大3%一考虑键槽的影响查表8.6取则。③轴的结构设计a)确定轴的结构方案右端的光轴上安装两个轴承与空心齿轮轴形成相互独立的运动。左端的轴承考轴肩定位。右端轴承与它之间用定位轴套使轴承右端面得以定位。链轮轴承和链轮都从轴的右端装入，链轮左侧面靠轴肩定位。左端的链轮和支撑轴承从左边装入，轴承的有端面靠轴肩定位。链轮左右端面均靠定位轴肩定位。轴的结构如图3-9所示。b)确定各轴端的直径和长度第一段根据圆整（按GB5014-85）,并考虑到链轮的安装和在长车体宽度上与后轮的统一，取轴的直径为40mm,长度为135mm。第二段为了便于轴承拆卸，应大于且符合标准轴承内径，同时考虑定位轴套的定位。查GB/T276-94,暂选深沟球轴承型号为6210，，其宽度B=20mm。轴承的润滑方式选择：选择脂润滑。取，。第三段装配轴承，与第二段相似，查GB/T276-94,暂选深沟球轴承型号为6210，，其宽度B=20mm。取，。第四段为了便于装拆轴承内圈，小于。同时考虑摆臂宽度的需要，取，。第五段这个轴端安装链轮，为了链轮轴向的定位小于，取轴肩高度为5mm,取，。第六段这个轴端安装摆臂轴承，为了轴承轴向的定位小于 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文，取轴肩高度为2.5mm,查GB/T276-94,暂选深沟球轴承型号为6205，，其宽度B=9mm。取，。第七段这个轴端安装空心齿轮轴轴承，为了轴承轴向的定位小于，取轴肩高度为2.5mm,查GB/T276-94,暂选深沟球轴承型号为6004，，其宽度B=12mm。取，。④绘制轴的弯矩图和扭矩图a)求轴承反力H水平面，V垂直面，b)求轴承中点处弯矩H水平面，V垂直面合成弯矩,,扭矩T弯矩图、扭矩图见图3-10。⑤按扭矩合成强度校核轴的强度当量弯矩：取折合系数，轴承中点处当量弯矩当量弯矩图见图3-10。轴的材料为45号钢，调质处理。由表8.2查得，由表8.9查得材料许用应力。由式8-4得轴的计算应力为： 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文(3-58)(3-59)(3-60)该轴满足强度要求。图　3-10弯矩图、扭矩图、当量弯矩图⑵摆臂前轮结构设计摆臂前轮的设计中运用了两个过盈配合达到链轮与轴承、轴承与轴的连接。具结构如图3-11所示。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文图3-11摆臂前轮设计图⑶空心齿轮轴的设计空心齿轮轴通过螺栓与摆臂连接，这样由电动机直接进过齿轮轴后把动力传递到摆臂。齿轮轴的具体结构如图3-12所示。图3-12空心齿轮轴3.3本章小结本章介绍了煤矿救援机器人行走机构机械部分的详细设计。在对机器人的功率估计的基础上，设计了机器人的主传动系统、摆臂摆臂传动系统。主传动系统主要是：从电机进过一级圆柱齿轮减速再到行星轮减速器后进链轮传动到达机器人的轮子。摆臂传动系统主要是：从电机进过一圆柱齿轮减速到空心齿轮轴后再到电机。整个行走机构结构简单、可靠，能过满足机器人的救援的要求。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文4电气系统的分析与设计煤矿救援机器人电路系统的硬件是控制的基础，如同机器人的神经系统，通过实时采集外界环境和自身运动状态数据，实现对机器人的控制。合理的硬件设计可以充分发挥控制系统的功能，达到实时控制性能好，伺服控制精度高，能够较好的完成控制任务。本机器人控制系统选用PC104嵌入式工控机为控制核心，并选用PC104的多串口板扩充了PC104的串口。自行设计的相关电路作为子模块通过RS232串口与PC104嵌入式工控机相连，来组合成分布式的机器人控制系统。设计采用模块化设计思想，自下而上的设计思路进行开发，系统的各个子功能模块分开设计，以保证系统开发的可靠性。其中自行设计的电路有数据采集单元电路、运动控制单元电路、编码器解析单元电路，本章将详细介绍这三部分的具体电路设计。4.1数据采集单元电路数据采集单元的作用是采集五个红外开关、五个红外测距传感器，并将采集到的数据送给PC104进行处理。4.1.1A/D转换电路设计随着大规模集成电路技术的发展，各种高精度、低功耗、可编程、低成本的A/D转换器不断推出，使得单片机控制系统的电路更加简洁，可靠性更高。TLC2543是德州仪器公司生产的12位开关电容型逐次逼近模数转换器，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与单片机进行连接，是12位数据采集系统的最佳选择器件之一。TLC2543与外围电路的连线简单，三个控制输入端为CS(片选)、输入/输出时钟(I/OCLOCK)以及串行数据输入端(DATAINPUT)。片内的14通道多路器可以选择11个输入中的任何一个或3个内部自测试电压中的一个，采样保持是自动的，转换结束，EOC输出变高[42]。　TLC2543的主要特性如下：l11个模拟输入通道； 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文l66ksps的采样速率；l最大转换时间为10μs；lSPI串行接口；l线性度误差最大为±1LSB；l低供电电流(1mA典型值)；l掉电模式电流为4μA。TLC2543的引脚功能说明如下：lAIN0～AIN10：模拟输入端，由内部多路器选择。对4.1MHz的I/OCLOCK，驱动源阻抗必须小于或等于50Ω；lCS：片选端，CS由高到低变化将复位内部计数器，并控制和使能DATAOUT、DATAINPUT和I/OCLOCK。CS由低到高的变化将在一个设置时间内禁止DATAINPUT和I/OCLOCK；lDATAINPUT：串行数据输入端，串行数据以MSB为前导并在I/OCLOCK的前4个上升沿移入4位地址，用来选择下一个要转换的模拟输入信号或测试电压，之后I/OCLOCK将余下的几位依次输入；lDATAOUT：A/D转换结果三态输出端，在CS为高时，该引脚处于高阻状态；当CS为低时，该引脚由前一次转换结果的MSB值置成相应的逻辑电平；EOC：转换结束端。在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC由高电平变为低电平并保持到转换完成及数据准备传输；lVCC、GND：电源正端、地；lREF＋、REF－：正、负基准电压端。通常REF＋接VCC，REF－接GND。最大输入电压范围取决于两端电压差；lI/OCLOCK：时钟输入/输出端。TLC2543每次转换和数据传送使用16个时钟周期，且在每次传送周期之间插入CS的时序。在TLC2543的CS变低时开始转换和传送过程，I/OCLOCK的前8个上升沿将8个输入数据位键入输入数据寄存器，同时它将前一次转换的数据的其余11位移出DATAOUT端，在I/OCLOCK下降沿时数据变化。当CS为高时，I/OCLOCK和DATAINPUT被禁止，DATAOUT为高阻态。本电路采用两片TLC2543，最多可以采集22路模拟量。89C51单片机通过选通TLC2543的片选端分时地与不同的TLC2543通信。为了便于与TLC2543接口，采用普通IO口软件模拟SPI操作，为减少微处理器的时钟频率对数据传送速的影响，尽可能选用较高时钟频率。图4-1为基于TLC2543的A/D转换电路。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文图中ADC1到ADC6分别接六个红外测距传感器的信号线，红外测距传感器输出信号为0～5V的模拟量，可以直接接TLC2543的模拟输入端。ADC7到ADC12分别接六个红外开关的信号线，因为红外开关输出信号为OC门式的开关量，所以为其增加了4.7K的上拉电阻，将其转变为0V或5V的开关量，便可以接TLC2543的模拟输入端。本系统所用锂电池标称电压为25.9V，充电后最高电压为28.7V，经过图中R7与R8分压后，ADC13点电压为0V～4.78V，可以接TLC2543的模拟输入端。ADC14接电流分流器的信号端，电流分流器输出信号为0～75mV的电压模拟量，经过TLC2543的12位AD采集后，得到数据为0～61，可以满足电机过流检测的需要。图4-1基于TLC2543的A/D转换电路4.1.2高速光耦电路设计为提高系统的抗干扰能力，AD转换电路与单片机电路通过光耦隔离。其中，TLC2543的CS引脚与单片机通过普通光耦TLP521-1相连如图4-1所示，而I/OCLOCK、DATAINPUT和DATAOUT三线为SPI总线接口，工作频率高，所以通过高速光耦6N137与89C51相连。图4-2为高速光耦电路。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文图4-2高速光耦电路4.1.3串行通信电路设计PC104与外设通信接口为RS-232接口。RS-232是为早期公共电话网数据通信制定的标准，以+5V～+15V表示逻辑0，-5V～-15V表示逻辑1，与现有单片机接口UART逻辑电平不一致，二者之间必须进行电平转换。此处选用MAXIM公司生产的MAX232芯片实现电平转换。MAX232芯片具有两个接收发送通道，功耗低、集成度高、+5V电压供电，仅需外接少量阻容元件，就能实现单片机UART电平与RS-232电平的转换。具体电路接法见图4-3串行通信电路原理图。其中，PC104发送的数据通过P1的2号针进入MAX232芯片13脚，转换后由12脚输出至89C51的RXD。单片机89C51发送的数据，通过TXD进入MAX232芯片11脚，转换后由14脚输出到P1的1号针，发送至PC104。图4-3串行通信电路原理图4.1.4单片机程序设计 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文本章所有自行设计的电路中单片机均在ICCAVR编译器下，采用C语言编程，生成HEX文件，然后通过在线编程接口ISP下载至单片机。图4-4单片机主函数流程图采用软件模拟SPI接口的方式，对TLC2543进行读写操作，并按照TLC2543的工作时序编写相应的函数，实现AD采集。利用89C51的内部资源UART完成串口通信任务，串行通信的数据格式采用(9600,N,8,1)，即9600波特率，无奇偶校验，8位数据位，1位停止位，数据内容选用定长帧结构存储。所有程序都在主函数中运行，无中断服务函数。为提高系统抗干扰能力，启用了看门狗，看门狗定时器设置为2.1s。单片机主函数的流程图如图4-4所示。从图中可以看出，单片机开机之后，首先初始化端口、UART和看门狗，然后进入一个循环体中。在循环体中循环执行以下几个任务：喂狗、AD采集、数字滤波和发送数据。4.2运动控制单元电路 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文运动控制单元的作用是通过四个无刷电机驱动器控制两个主动轮电机和一个摆臂电机，完成对三个电机的启停、正反转和速度控制，从而控制两主动轮的直线运动和两摆臂的摆动。此外，还要完成对摆臂的闭环位置控制。通过RS232接口与PC104相连，以接收PC104的控制命令。4.2.1后轮电机驱动电路两个主动轮电机采用开环控制，所以只用一片89C51单片机便可以控制。主动轮电机驱动电路如图4-5。图4-5后轮电机驱动电路无刷电机驱动器提供两个开关量接口，分别是允许控制端（控制电机启停）、电机转向控制端，提供一个模拟量接口，用于电机速度控制。对于驱动器的开关量接口，直接采用单片机端口控制，图中IN1、IN2分别连接两个驱动器的开关量接口。P2.0、P2.1分别与驱动器的SPEED的接口相接通过软件编程产生PWM信号控制电机转速。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文4.2.2摆臂电机驱动电路因摆臂需要闭环位置控制，所以每个摆臂电机由一片89C51单片机控制。摆臂电机驱动电路如图4-6所示。摆臂电机的启停、正反转和速度控制与主电机驱动电路相同。图中摆臂轴角编码器，其中三条信号线a、b和i为脉冲信号A、B、I相，A、B是两路正交的方波，I为轴角编码器每转一圈产生一个脉冲所形成的脉冲信号。在与单片机连接时，A相连接外中断INT0，B相连接普通IO口，I相连接外中断INT1。因为A相连接外中断INT0，所以摆臂转动引起的每一个电压脉冲都会触发单片机的外部中断。通过编制INT0中断子函数（此处采用INT0的上升沿中断），就可以实现对轴角编码器输出脉冲个数的准确计算，经换算后即得转动轴转过的精确角位移。轴角编码器与机器人的摆臂同轴安装，因此，通过对轴角编码器所输出的相位差90度的两路电压脉冲信号A和B进行鉴相，就能够判别摆臂正转或反转。正转时，A信号的相位超前B信号90度，A信号上升沿时，B信号为低电平。反转时，A信号的相位延后B信号90度，A信号上升沿时，B信号为高电平。因此，通过中INT0中断子函数中读取B信号的电压高低，就可以判别轴角编码器的转向，亦即摆臂的转向，正转时脉冲计数加1，反转时脉冲计数减1。I相连接外中断INT1，所以摆臂转动经过零点时，会触发单片机的外部中断INT1。通过编制INT1中断子函数（此处采用INT1的上升沿中断），可以实现对摆臂零度点的校正，以修正角位移的偏差。摆臂角位移计算公式为：(4-1)其中，为摆臂的角位移，为脉冲计数值，N为轴角编码器旋转一周输出的脉冲数，此处N=360。根据一定时间内轴角编码器转动的角位移，就可求得转动轴的角速率。设为时间内的平均角速率，由于计算角速率所需的时间段足够小，所以可将平均角速率近似为实时角速率。摆臂角速率计算公式为： 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文(4-3)其中，为时间内的平均角速率，为时刻摆臂的角位移。图4-6摆臂电机驱动电路4.2.3串行通信电路设计运动控制单元的串行通信电路与数据采集单元相似，都采用MAX232实现电平转换，不同的是运动控制单元中，两片单片机都要与PC104通信。图4-7为串行通信电路图，此电路实现了一点对多点的串行通信。其中，PC104发送的数据通过P1的2号针进入MAX232芯片13脚，转换后由12脚输出至两片89C51的RXD。89C51的RXD引脚作为串口接收端时，为高阻态，所以两片89C51将同时收到PC104发送的数据，每个单片机通过数据帧中的地址信息判别是否属于自己的信息。每个单片机发送的数据，通过一个电阻（图中R1、R2）进入MAX232芯片11脚，转换后由14脚输出到P1的1号针，发送至PC104。在PC104的主导下，同一时间最多只有一个单片机向PC104发送数据。而当单片机不发送数据时，禁用串口发送功能，将自身TXD引脚置为高阻态，有效防止不同单片机的数据发送端电平冲突。电阻R1、R2是为了防止因为软件错误而产生的多单片机发送冲突，保护单片机的TXD引脚。R3为上拉电阻，可以防止TXD在所有单片机都不发送数据时悬空（悬空时PC104容易收到一些随机产生的数据）。这样，PC104可以收到来自不同的单片机的数据，通过数据帧中的地址信息判别数据来自哪个单片机。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文图4-7串口通信电路图4.2.4单片机程序设计首先介绍主动轮电机控制电路的单片机程序设计。通过写IO端口的方式，完成对两个车轮电机的控制。利用89C51的内部资源UART完成串口通信任务，串行通信的数据格式采用(9600,N,8,1)，即9600波特率，无奇偶校验，8位数据位，1位停止位，数据内容选用定长帧结构存储。串口的接口通过查询方式完成。所有程序都在主函数中运行，无中断服务函数。为提高系统抗干扰能力，启用了看门狗，看门狗定时器设置为2.1s。单片机主函数的流程图如图4-8所示。从图中可以看出，单片机开机之后，首先初始化端口、UART和看门狗，然后进入一个循环体中。在循环体中循环执行以下几个任务：喂狗、接收命令、校验命令、应答命令和执行命令。其中，“接收命令”任务查询UART是否有数据，每次接收一个字节，并将这个字节数据存入数组。如果没有收到数据，或收到的不是数据帧的最后一个字节，程序都会返回到循环体开始位置，如图中“未完成”。如果收到数据帧最后一个字节，则进入“校验命令”任务，校验数据帧是否正确，以及判断地址是否与本单片机相同。如果满足这两点，则进入“应答命令”任务，通过串口向PC104发送“应答命令”，表示已经正确接收命令。然后，通过写IO端口的方式，按PC104的指令控制电机的各种动作。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文图4-8单片机主函数流程图下面介绍摆臂电机控制电路的单片机程序设计。两个摆臂电机分别由一个单片机控制，这两个单片机除了地址不同之外，程序完全相同。通过写IO端口的方式，完成对两个摆臂电机的控制。通过INT0中断子函数和INT1中断子函数计算摆臂角位移和角速度。利用89C51的内部资源UART完成串口通信任务，串行通信的数据格式采用(9600,N,8, 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文1)，即9600波特率，无奇偶校验，8位数据位，1位停止位，数据内容选用定长帧结构存储。串口的接口通过查询方式完成。启用定时器T0，设置为10ms中断，在其中断服务函数中编写摆臂定位的伺服控制程序。为提高系统抗干扰能力，启用了看门狗，看门狗定时器设置为2.1s。单片机程序包括主函数、INT0中断子函数、INT1中断子函数和定时器T0中断子函数。单片机主函数的流程图与履带电机控制单片机相同如图4-8所示。其中来自PC104的命令中增加了一条：令摆臂定位于某角度。单片机收到这条命令后，使能定时器T0中断，单片机收到其它控制命令时，则关闭定时器T0中断。INT0中断子函数，判断轴角编码器B相电平高低，对角位移计数。INT1中断子函数将角位移清零。定时器T0中断子函数流程如图4-9所示，该函数的功能为实现摆臂位置的伺服控制。图4-9定时器T0中断函数流程图在各类控制系统中，PID是最常用控制规律。PID控制器以其结构简单、易于实现、抗干扰能力强等特点在回路控制中获得广泛应用。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：⑴比例环节：即对控制系统的偏差信号及时做出反应，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用，以减小偏差。⑵ 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文积分环节：主要用于消除静态误差，提高控制精度，改善系统的静态特性。⑶微分环节：减小超调，使系统快速趋向稳定，改善系统的动态特性。因为摆臂的控制精度要求不高，所以本系统采用PD算法控制，省去积分环节。设摆臂角位移期望值为，当前实际角位移为，则两者偏差为：(4-4)PD调节器的控制规律为：(4-5)其中，为比例增益，为微分时间常数，为角位移控制量，为实际角位移与期望角位移的偏差。为了用单片机实现PD控制规律，必须将连续形式的微分方程离散成差分方程的形式，进行数字PD控制。取为采样周期，=0,1,2,…，为采样序号，因为采样周期相对信号的变化周期很小，所以用向后差分的方法近似微分作用，即：(4-6)于是，式(3-5)可以离散化为以下差分方程：(4-7)其中，为比例增益，为微分时间常数，为采样周期，为时刻角位移控制量，为实际角位移与期望角位移的偏差。单片机可以输出电机转速，即摆臂角速率：(4-8)其中，为时刻角速率控制量，为实际角位移与期望角位移的偏差。将式(3-6)代入式(3-7)得：(4-9)其中，为比例增益，为微分增益，为采样周期，为时刻角速率控制量，为实际角位移与期望角位移的偏差。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文4.3编码器解析单元电路编码器解析单元的作用是读取左右两个车轮驱动轮上轴角编码器输出的脉冲信息，测量车轮直线运动的位移，并通过RS232接口将信息送给PC104，为PC104的航位推测提供数据。4.3.1电路设计图4-10为编码器解析单元电路图的单片机部分电路。图中可以看出，此处轴角编码器信号线的接入方式与运动控制单元中摆臂轴角编码器解析电路相同。图4-10单片机外围电路图图4-11为编码器解析单元电路图的串行通信部分电路图。与运动控制单元电路相似，有两个单片机与PC104通信。图中R1、R2完成了这部分电路，实现方法与运动控制单元电路相同。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文图4-11串行通信电路图4.3.2单片机程序设计通过INT0中断子函数和INT1中断子函数计算摆臂角位移和角速度。利用89C51的内部资源UART完成串口通信任务，串行通信的数据格式采用(9600,N,8,1)，即9600波特率，无奇偶校验，8位数据位，1位停止位，数据内容选用定长帧结构存储。串口的接口通过查询方式完成。为提高系统抗干扰能力，启用了看门狗，看门狗定时器设置为2.1s。单片机程序包括INT0中断子函数、INT1中断子函数和主函数。INT0中断子函数，通过判断轴角编码器B相电平高低对主动轮直线位移计数。INT1中断子函数对主动轮直线位移进行修正。INT1第一次中断时，将主动轮直线位移计数清零，那么，之后每次INT1中断时，主动轮直线位移计数将能够被N整除（N为轴角编码器转动一周输出的脉冲数）。假如INT0中断子函数中计数出现较小误差，在INT1中断时计数值便不能被N整除，这时将计数值修正为可以被N整除的最近一个数，便可提高计数精度。单片机主函数的流程图如图4-12所示。从图中可以看出，单片机开机之后，首先初始化端口、UART和看门狗，然后进入一个循环体中。在循环体中循环执行以下几个任务：喂狗、接收命令和发送数据。其中，“接收命令”任务查询UART是否有数据，每次接收一个字节，并判断该字节是否为自身地址。如果没有收到数据，或收到的不是自身地址，程序都会返回到循环体开始位置，如图中“未完成”和“错误”。如果收到的数据是自身地址，则进入“发送数据”任务，通过串口向PC104发送主动轮直线运动的位移值。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文图4-12单片机主函数流程图4.4本章小结本章介绍了煤矿救灾机器人控制系统硬件电路的详细设计。设计了数据采集单元电路、运动控制单元电路、编码器解析单元电路等。数据采集单元可采集机器人周围障碍物信息等数据；运动控制单元可控制机器人的直线运动及摆臂摆动；编码器解析单元可记录车轮直线运动的位移。设计了UART串口多机通信电路，节省了PC104串口数目；通过单片机软件编程，实现了对轴角编码器的解析，简化了硬件电路设计。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文5.结论此次设计主要完成了对煤矿救援机器人的机械结构的设计。在定性的比较后选择了轮式的行走机构,因其具有效率高的优点。同时考虑到救援机器人的特殊工作环境，通过链传动实现了各轮的同步移动，克服了轮式移动机构跨沟能力差及易打滑等缺点。而且通过给机器人设计摆臂增加了其越障能力。由于救援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，而且救援机器人需要携带必要的救护设备和仪器，因此救援机器人应该具有足够大的尺寸和动力以及良好的续航能力。所以本设计选择的驱动电机的功率较大，这使得电机的驱动设计有些困难。在综合比较选择后设计了由大功率场效应管来实现的PWM直流伺服电机调速电路。同时还设计了数据采集单元电路和编码器解析单元电路，为机器人能够实现简单的避障能力提供了硬件电路的保障。由于时间原因本设计只完成了单片机部分软件编程，而PC104控制软件部分则没有涉及。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文参考文献：[1]林柏泉.我国煤矿安全现状分析.中国矿业报,2006.3.3.[2]宋元明,任锦彪.煤矿井下灾害调查与研究[J].劳动保护,2005,3:86-88.[3]梅国栋.影响我国煤矿安全生产的主要因素分析[J].中国安全生产科学技术.2008,03:91-93.[4]陈静媛.强化煤矿安全生产监管监察[J].今日中国论坛.2008,07[5]井悦.煤矿安全生产信息化现状及发展方向[J].中国谋炭.2008,05[6]钱善华，葛世荣,王永胜等.救灾机器人的研究现状与煤矿救灾的应用[J].机器人，2006，28(3)：350-354.[7]郑之增.煤矿救灾机器人控制系统设计［硕士学位论文］.徐州:中国矿业大学,2009[8]王永胜.煤矿救灾机器人运动机构的设计与驱动系统的研究［硕士学位论文］.徐州:中国矿业大学,2007.6[9]张世良,刘兴晖.一次煤矿瓦斯爆炸事故的分析[J].煤矿安全,2004,35(7):10-12.[10]徐国华,谭民.移动机器人的发展现状及其趋势[J].机器人技术与应用，2001，3：7-14.[11]周超.基于DSP的小型移动机器人控制系统[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.[12]王雪松.基于多传感器融合的煤矿机器人路径规划及控制的研究[D].徐州：中国矿业大学,2002.[13]邓云伟.轮式移动机器人运动控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.[14]无锡瑞普科技有限公司.增量式光电轴角编码器ZSP3004系列[EB/OL].（2008-12-19）[2009-03-15].http://www.chinarep.com.cn/.[15]渐开线齿轮行星传动的设计与制造编委会.渐开线齿轮行星传动的设计与制造.机械工业出版社.2002[16]韦哲,程自峰,李战民等.AT90S8535单片机与PC机的串行通信及其在体温检测中的应用.医疗卫生装备,2005,26(9):62-63.[17]沈文.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京：清华大学出版社，2003：2-3. 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文[18]牛玉广.计算机控制系统及其在火电厂中的应用[M].北京：中国电力出版社，2002：91-93.[19]毛元礼.驱动芯片L293的应用.电子制作,2007,08:43. 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文翻译部分：英语原文：AdhesionControlfortheAlicia3ClimbingRobotD.LongoandG.MuscatoDipartimentodiIngegneriaElettricaElettronicaedeiSistemi,Universit`adegliStudidiCatania,vialeA.Doria6,95125CataniaItalyAbstract.Climbingrobotsareusefuldevicesthatcanbeadoptedinavarietyofapplicationslikemaintenance,building,inspectionandsafetyintheprocessandconstructionindustries.ThemaintargetoftheAlicia3robotistoinspectnonporousverticalwallwithanyregardforthematerialofthewall.Tomeetthistarget,apneumatic-likeadhesionforthesystemhasbeenselected.AlsothesystemcanmoveoverthesurfacewithasuitablevelocitybymeansoftwoDCmotorsandovercomesomeobstaclethankstoaspecialcupsealing.Thisadhesiontechnologyrequiresasuitablecontrollertoimprovesystemreliability.Thisisbecausesmallobstaclespassingunderthecupandwallirregularitycanvarythevalueoftheinternalpressureofthecupputtingtherobotinsomeanomalousworkingconditions.Themethodologiesusedforderivinganaccuratesystemmodelandcontrollerwillbeexplainedandsomeresultwillbepresentedinthiswork.1IntroductionClimbingrobotscanbeusedtoinspectverticalwallstosearchforpotentialdamageorproblemsonexternalorinternalsurfaceofaboveground/undergroundetrochemicalstoragetanks,concretewallsandmetallicstructures[1–4].Byusingthissystemascarrier,itwillbepossibletoconductanumberofNDIoverthewallbycarryingsuitableinstrumentation[5,6].Themainapplicationoftheproposedsystemistheautomaticinspectionoftheexternalsurfaceofabovegroundpetrochemicalstoragetankswhereitisveryimportanttoperformperiodicinspections(rateofcorrosion,riskofairorwaterpollution)atdifferentrates,asstandardizedbytheAmericanPetroleumInstitute[7].Thesystemcanbealsoadoptedtoinspectconcretedams.Whilethesekindsofinspectionsareimportanttopreventecological 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文disastersandrisksforthepeopleworkingaroundtheplant,theseareveryexpensivebecausescaffoldingisoftenrequiredandcanbeverydangerousFig.1.TypicaloperatingenvironmentandtheAlicia3robotfortechniciansthathavetoperformtheseinspections.Moreover,forsafetyreasons,plantoperationsmustbestoppedandthetankmustbeemptied,cleanedandventilatedwhenhumanoperatorsareconductinginspections.InFig.1(a)and1(b)typicalenvironmentsforclimbingrobotsareshown.Figure1cshowstheAlicia3robotprototypewhileattachedtoaconcretewallduringasystemtest.2SystemDescriptionTheAliciaIIsystem(thebasicmodulefortheAlicia3system)ismainlycomposedbyacup,anaspirator,twoactuatedwheelsthatusetwoDCmotorswithencodersandgearboxesandfourpassivesteelballswithclearancetoguaranteeplaincontactofthecuptothewall.Thecupcanslideoverawallbymeansofaspecialsealingthatallowsmaintainingasuitablevacuuminsidethecupandatthesametimecreatingtherightamountoffrictionwithrespectsystemweightandarangeofatargetwallkind.ThestructureoftheAliciaIImodule,showninFig.2,currentlycomprisesthreeconcentricPVCringsheldtogetherbyanaluminumsdisc.Thebiggerringandthealuminumsdischaveadiameterof30cm.Thesealingsystemisallocatedinthefirsttwoexternalrings.BoththetworingsandthesealingareFig.2.StructureoftheAliciaIImoduledesignedtobeeasilyreplaceable,astheywearoffwhiletherobotisrunning. 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文Moreoverthesealingallowstherobotpassingoversmallobstacles(about1cmheight)likescrewsorweldingtraces.Thethirdring(thesmallestone)isusedasabaseforacylinderinwhichacentrifugalairaspiratoranditselectricalmotoraremounted.Theaspiratorisusedtodepressurizethecupformedbytheringsandthesealing,sothewholerobotcanadheretothewalllikeastandardsuctioncup.Themotor/aspiratorsetisveryrobustandiscapableofworkinginharshenvironments.Thetotalweightofthemoduleis4Kg.TheAlicia3robotismadewiththethreemoduleslinkedtogetherbymeansoftworodsandaspecialrotationaljoint.Byusingtwopneumaticpistonsitispossibletoriseandtolowereachmoduletoovercomeobstacles.Eachmodulecanberaised15cmwithrespecttothewall,soobstaclesthatare10–12cmheight,canbeeasilyovercame.Thesystemisdesignedtobeabletostayattachedusingonlytwocupswhilethethird,anyofthethree,israisedup.Thetotalweightofthesystemisabout20Kg.3Electro-PneumaticSystemModelByusingthiskindofmovementandsealingmethod,itispossible,duetounexpectedsmallobstaclesonthesurface,tohavesomeairleakageinthecup.Thisleakagecancausetheinternalnegativepressuretoriseupandinthissituationtherobotcouldfalldown.Ontheothersideiftheinternalpressureistoolow(highΔp),averybignormalforceisappliedtothesystem.Asaconsequence,thefrictioncanincreaseinsuchawaytonotallowrobotmovements.Thisproblemcanbesolvedbyintroducingacontrollooptoregulatethepressureinsidethechambertoasuitablevaluetosustainthesystem.TheconsideredopenloopsystemandthemosteasilyaccessiblesystemvariableshasbeenschematizedinFig.3;inthisschemethefirstblockincludestheelectricalandthemechanicalsubsystemandthesecondblockincludesthepneumaticsubsystem.TheusedvariablesaretheMotorvoltagereference(theinputsignalthatfixesthemotorpower)andtheVacuumlevel(thenegativepressureinsidethechamber). 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文Fig.3.TheopenloopsystemconsideredFig.4.I/OvariableacquisitionschemeSinceitisverydifficulttohaveareliableanalyticalmodelofthatsystem,becauseofthebignumberofparametersinvolved,ithasbeendecidedtoidentifyablackboxdynamicmodelofthesystembyusinginput/outputmeasurements.Thismodelwasdesignedwithtwopurposes:tocomputeasuitablecontrolstrategyandtoimplementasimulatorfortuningthecontrolparameters.Anexperimentalsetupwasrealized,asrepresentedinFig.4,byusingtheDS1102DSPboardfromDspaceinordertogenerateandacquiretheinput/outputvariables.SincetheaspiratorisactuatedbyanACmotor,apowerinterfacehasbeenrealizedinordertotranslateinpowerthereferencesignalforthemotorcomingfromaDACchanneloftheDS1102board.TheoutputsystemvariablehasbeenmeasuredwithapiezoresistivepressuresensorwithasuitableelectronicconditioningblockandacquiredwithoneanaloginputoftheDS1102.ThesoftwarerunningontheDSpaceDSPboard,inthisfirstphasesimplygeneratesanexcitingmotorvoltagereferencesignal(pseudorandom,ramporstepsignals)andacquiresthetwoanaloginputswithasamplingtimeof0.1s,storingthedatainitsinternalSRAM.TypicalInput/OutputmeasurementsarerepresentedinFig.5andFig.6.Inordertoobtainbetterresultsinsystemmodeling,therelationshipbetween 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文InputandOutputneedstobeconsideredasnon-linear.ANARXmodelhasbeenusedisintheformof(1),wherefisanonlinearfunction[8,9].y(k)=f(u(k),u(k−1),...;y(k−1),y(k−2),...)(1)Toimplementthiskindofnon-linearity,sometrialshavebeendoneusingNeuro-FuzzyandArtificialNeuralNetwork(ANN)methodologies.Oncethatmodelhasbeentrainedtoasuitablemeansquareerror,ithasbeensimulatedgivingitasinputtherealinputmeasurementonly(infinitesteppredictor)[8].So(1)canbemodifiedinordertoobtain(2).˜y(k)=f(u(k),u(k−1),...;˜y(k−1),˜y(k−2),...)(2)In(2),4yistheestimatedsystemoutput.Inordertocomparethesimulationresults,anumberofdescriptorhasbeendefinedandused.Amongthesearemeanerror,quadraticmeanerrorandsomecorrelationindexes.AfirstsetofsimulationforbothmethodologieshasbeendonetofindoutthebestI/Oregressiontermschoice.3.1Neuro-FuzzyIdentificationUsingthiskindofmethodology,thebestmodelstructurewasfoundtobeintheformof(3).y(t)=f(u(t),y(t−1))(3)Oncethebestmodelstructurehasbeenfound,sometrialshavebeenperformedmodifyingthenumberofmembershipfunctions.Thebestresults,comparingtheindexesdescribedabove,havebeenobtainedwith3functionsandinFig.7thesimulationresultshasbeenreported.ThestructureoftheNeuro-FuzzymodelistheANFIS-Sugeno[10].3.2ANNIdentificationUsingthiskindofmethodology,thebestmodelstructurewasfoundtobeintheformof(4).y(t)=f(u(t),u(t−1),u(t−2),y(t−1),y(t−2))(4)Asinglelayerperceptronnetworkhasbeenused.ThetrainingalgorithmisthestandardLevenberg–Marquardt.Oncethebestmodelstructurehasbeenfound,sometrialshavebeenperformedmodifyingthenumberofhiddenneurons.Thebestresults,comparingtheindexesdescribedabove,havebeenobtainedwith7hiddenneuronsandinFig.8thesimulationresultshasbeenreported.Fromacomparisonbetweenthetwomodelsandtheirrelatedindexes,it 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文canbeseenthattheNeuro-Fuzzymodelhasbestapproximationperformanceanduselessinputinformation.Inthenextsection,thismodelwillbeusedassystememulatortotuneandtesttherequiredregulator.4PressureControlAlgorithmOnceasystemmodelhasbeenobtained,aclosedloopconfigurationlikethatinFig.9,hasbeenconsidered.Thetargetofthecontrolalgorithmistoregulatetheinternalvacuumleveltoasuitablevalue(fromsometrials,itwasfixedtoabout10kPa)tosustainthewholesystemanditspayload;themaximumsteadystateerrorallowedwasfixedtolessthan200Pa.Moreoverthetimeconstantoftherealsystem(about10s)hastobeconsidered.AfirstsimulationtrialhasbeendonewithafuzzycontrollerwhileduringasecondtrialaPIDcontrollerhasbeentunedoverthesystememulatortomeetthecontrollertarget.AllthesesimulationshavebeenperformedbyusingSimulinkfromMathworks.4.1FuzzyControllerDuringthissimulation,afuzzycontrollerthatusesasinputonlythesystemerrorhasbeenused.Thiscontrollerhasthreemembershipfunction(triangularandtrapezoidal)andthreeoutputcrispmembershipfunctions.Thereferencewassetto10kPaandthenoisesignalonthepressurelevelisaseriesofsteps.InFig.10aplotofthenoise,referenceandclosedlooppressuresignalisrepresented[11].4.2PIDControllerAsecondsimulationhasbeendonetuningaPIDcontrollerovertheNeuro-Fuzzysystememulator.Asthesystemmodelisnon-linear,trialanderrortechniquehasbeenused.Thecontrollerhasbeentestedinthesameconditionofthefuzzycontroller.FromtheFig.12itispossibletoseethatnowtheclosedloopsystemhaslittlemoreovershooting(seeFig.13fordetail)butthesamesteadystateerror.Ithastobenotedthatovershootingishigherthatthemaximumerrorallowedbutisfasterwithrespectthesystemtimeconstant.5ConclusionInthisworktheAlicia3climbingrobotwaspresented.Duetoitsspecialadhesionmechanism,acontrollerforthevacuumlevelinsidethecupisrequired.Firstofall,asystememulatorhasbeendesignedbyusingblackboxidentificationmethodologies.Amongalltheperformedtrial,ArtificialNeural 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文NetworksandNeuro-FuzzyarethetwobestmodelsfoundandtheNeuro-Fuzzyonehasbeenselectedassystememulator.Asetofindexeshasbeenintroducedinordertomakeacomparisonandtoselectthebestsystemmodel.Onceasystememulatorhasbeenbecomeavailable,someSimulinksimulationshavebeenperformedinordertotuneacontroller.InthatcaseaFuzzyandaPIDcontrollerhavebeencompared.Betweenthetwo,theFuzzycontrollerworksbetterthanthePIDbutthisismuchsimplerinitsimplementationanditsperformancesarenotsoworst;inanycase,itiscompatibleswithsystemdynamics. 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文中文翻译Alicia3爬壁机器人的粘着控制摘要.爬壁机器人用途广泛，可以在许多不同的环境中应用，如维修、建设、检查安全的过程和建筑业。Alicia3机器人主要目标是检查非多孔垂直墙，且不管墙的材料如何。为了达到这个目标，我们选定气动粘连系统。该系统可以通过两个直流电动使机器人以一个合适的速度在墙面移动并且借助于特殊的密封环越过障碍。这种粘接技术需要一个合适的控制器，以改善系统可靠性。这是因为机器人穿过小的障碍时障碍物将使机器人密封环的内部压力发生较大的变化从而使得机器人无法正常工作。本文将致力于研究得到系统准确控制模型的方法并由此得到一些结论。1简介爬壁机器人可以用来检查垂直墙壁，寻找潜在损坏或问题。如石油储藏罐，混凝土墙和金属结构的内外表面。通过使用此系统为载体外加适当的仪器，将可以在墙上进行一些NDI检测。主要应用系统的建议是自动检测外部表面地上石化储油罐的地方是非常重要的执行定期检查（率腐蚀，风险空气或水的污染）以不同的速度，其标准美国石油学院提出。该系统还可以用于检查混凝土水坝。尽管这些种是重要的检查，但是进行这些检查是很危险的因为对技术员来说脚手架往往是非常危险的。此外，为了保证安全原因，工厂经营必须停止和油罐必须清空，清洁和通风都由操作员进行检查。其附着在混凝土墙中系统测试。2系统描述AliciaⅡ系统（基本模块Alicia3系统），主要是组成了密封杯的吸引，两个驱动车轮，使用两个直流电动机与编码器和变速箱和4个被动钢球与清除保证平原联系的世界杯在墙上。杯子可以在墙上投影片通过一个特殊的密封，可以保持一个合适的真空内杯子和在同一时间创造合适的数额方面的摩擦系统重量一系列目标墙实物。AliciaⅡ系统，目前有三个同心环聚氯乙烯一并举行的铝业光盘。更大的环和铝业光盘有一个直径为30厘米。密封系统分配前两个外部环。两种环和密封旨在方便地更换，可以在机器人运行时更换。 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文此外，密封使小机器人越过障碍（约1厘米高度）像螺丝或焊接的痕迹。第三环（最小）是用来作为基地的缸中，离心空气吸引和其电气电机安装。在吸引用来减压的世界杯所形成的环和密封，使整个机器人能够坚持在墙上像标准吸盘。电动机/吸引一套非常强大的，并且能够在恶劣的工作环境。总重量模块4公斤。该Alicia3机器人是由三个模块连在一起的方法两棒和一种特殊旋转联合。通过使用两个气动活塞是可能上升，并降低每个模块克服障碍。每个模块可提高15厘米就在墙上可以很容易克服。该系统的目的是能够留重视只用两杯第三上述三种是提高了。总重量的系统是20公斤左右。3电气动系统模型通过使用这种运动和密封方法，它是可能的，因为表面上意想不到的小障碍，有一些在漏风密封杯。这可能会导致泄漏的内部负压变大和在这种情况下，机器人可以倒下。另一方面，如果内部压力过低（高Δp），一个非常大的正常力应用于系统。因此，摩擦可以增加这样一种方式，不让机器人的运动。这个问题可以得到解决的引入控制回路调节压力商会给一个合适的值，以维持该系统。考虑的开环系统和最容易进入系统变量已在图图式。在这个计划的第一个块包括电气和机械子系统和第二块包括气动子系统。用过的变数是汽车电压参考（输入信号，修正了电机功率）和真空度（负压）。因为它是非常困难的有一个可靠的分析模型，该系统，由于大量的参数参与，它已决定确定一个黑匣子动力学模型，利用该系统输入/输出测量。这一模式的目的是有两个目的：计算合适的控制策略和实施模拟器的调整控制参数。使用在DS1102的DSP来自Dspace，以便产生和接受输入/输出变量。由于吸引的是驱动交流电动机，一个电源接口已经实现，以便将参考信号电机来自数模转换器通道DS1102局。那个输出系统变量测量了一个压阻式压力传感器与一个合适的电子块和后天条件之一模拟输入的DS1102。该软件运于DSpace的DSP板，在这第一阶段产生的只不过就是一个令人兴奋的电机电压参考信号（伪随机，坡道或步骤信号）并获得了两个模拟输入与采样时间为0.1秒，将数据储存在其内部的SRAM。典型的输入/输出测量中的代表图。为了取得更好的成果，在系统建模之间的关系输入和输出的需要视为非线性。一个NARX模型使用的形式是（1），其中f是一个非线性函数：y(k)=f(u(k),u(k−1),...;y(k−1),y(k−2),...)(1)实施这种非线性，一些试验已经完成使用模糊神经网络和人工神经网络（ANN 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文）方法。一旦模型已培训，以一个合适的均方误差，它一直模拟给它的输入测量的实际投入只有（无限一步预测）。因此，(1)可以进行修改，以便获得（2）。˜y(k)=f(u(k),u(k−1),...;˜y(k−1),˜y(k−2),...)(2)在（2）式中，y为估计系统输出。为了比较仿真结果，一些广义的定义和使用。其中有平均误差，二次平均误差和一些相关指标。第一套模拟方法都做了，寻找最佳的I/O回归条件的选择。3.1神经模糊识别使用这种方法，得到最好的模型结构式（3）y(t)=f(u(t),y(t−1))(3)一旦最佳模型结构已经发现，一些试验已经完成修改一些隶属函数。最好的结果比较上述各项指标仿真结果的报告。的结构模糊神经网络模型是ANFIS的-Sugeno型。3.2人工神经网络识别使用这种方法，得到的最好的模型结构形式（4）。y(t)=f(u(t),u(t−1),u(t−2),y(t−1),y(t−2))(4)单层感知器网络已被使用。训练算法是标准的以Levenberg–Marquardt。一旦最佳模型结构已经发现，一些试验已完成修改了一些隐藏的神经元。最好的结果，比较上述各项指标，取得了7个隐层神经元和仿真结果的报告。从比较两种模式及其相关指标，它可以看出，模糊神经网络模型具有最佳逼近性能以及使用更少的输入信息。在下一节中，这一模式将被用作系统仿真器来调整和测试所需的稳压器。4压力控制算法这一目标的控制算法，以管理内部真空度给一个合适的值（从一些审判，这是固定的约10千帕），以维持整个系统和它的有效载荷;最大稳态误差允许固定低于200Pa。此外，时间常数的实时系统（约10秒）来考虑。第一个模拟试验已经完成，模糊控制器，而在第二次PID控制器已调整整个系统的模拟器，以满足控制目标。所有这些模拟已完成从使用MathWorks的Simulink仿真。4.1模糊控制器在此模拟模糊控制器的输入利用该系统只错误使用了。该控制器有三个隶属函数（三角和梯形）和3个输出清晰的隶属函数设置为10kPa和噪声信号的压力水平是一系列的步骤噪音范围和闭环压力信号的代表4.2PID控制器 第71页中国矿业大学09届本科生毕业设计论文第二次模拟已经做了调整PID控制器的神经模糊系统模拟器。由于该系统模型是非线性的技术已被使用。该控制器已通过测试在相同条件下模糊控制器。有可能看到，现在的封闭闭环系统几乎没有更多的过度，但同稳态误差。必须指出，过度的高允许的最大误差为快，但与该系统的时间常数。在相同条件下使用该技术是的控制器通过测试。5结论此论文中我们设计了Alicia3爬壁机器人。由于其特殊粘附机制，控制器内的真空度的密封杯是必要的。首先，系统仿真器的设计使用黑盒子识别的方法。为了比较和选择最好的系统我们引进了一些评判参数。在所有的比较中，我们发现人工神经网络和模糊神经网络是两个最好的模式，并把模糊神经网络选为系统模拟器。一旦系统模拟器已经到位，我们就进行一些仿真模拟以测试控制器。在这种情况下，我对模糊和PID控制器进行了比较。二者之间的模糊控制器工程优于PID控制器，而且就其执行起来非常简便且表现显然不是最差；在任何情况下，它都与系统动态兼容。