狹窄空間智能巡檢機器人設計及運動分析

李鵬程,郝文靜,閆紅玲

(1.運城學院 機電工程系,山西 運城044000;2.臨汾投資集團有限責任公司 山西 臨汾 041000)

近年來,隨著國家工業化的快速發展,化石燃料的使用量急劇增加,煤礦的開采力度不斷加大[1-3]。由于煤礦開采環境復雜,開采過程中會產生有毒氣體等危險物質,嚴重危害操作人員的身體健康[4]。此外,煤礦、洗煤廠設備眾多且龐大,使得大多數工作空間較為狹窄,人工巡檢難以完成、人工巡檢周期較長這些問題都給巡檢工作帶來不便。為了降低巡檢工作的危險系數、提高巡檢的工作效率,設計適應于狹窄空間的智能巡檢機器人顯得十分必要[5-7]。

由于礦業環境的特殊性,近年來許多學者對礦用機器人進行了相應的研究。陳騁設計了用于礦用消防的滅火機器人并利用蒙特卡洛算法完成了機器人的實時定位[8]。商德勇等設計了煤礦用煤矸石分揀機器人,提高了智能化分選的水平[9]。學者肖毅等人研究了煤礦變電站的巡檢機器人,并對機器人的位姿進行了自適應調整[10]。學者賈宇濤設計了一種帶式輸送機智能巡檢機器人,實現了帶傳動的無人值守,提高了工作效率[11]。

針對煤礦和洗煤廠的特殊工作環境,本文設計了一種三輪式智能巡檢機器人。該巡檢機器人采用輪式驅動、體積較小、結構簡單可靠、功能齊全。機器人可以順利通過曲率半徑為400 mm,寬度為145 mm的狹窄空間完成巡檢任務。這對煤礦和洗煤廠的巡檢智能化有著重要的提升作用。本文所設計的機器人具有一定的工程使用價值,而且本文對巡檢機器人運動的研究可為礦用機器人的運動特性研究提供一定的理論參考。

1 智能巡檢機器人系統設計

1.1 巡檢機器人設計參數

煤礦、洗煤廠環境比較惡劣,大多數地段會有一定的坡度而且有坡度傾斜角,為了更好地完成巡檢任務需要機器人安全平穩運行。因此所設計的機器人需要有一定的斜坡運動能力、續航能力以及良好的功能性。為了滿足狹窄環境的巡檢工作,機器人的設計需要滿足表1的技術要求。

表1 礦用巡檢機器人設計要求

1.2 巡檢機器人機械結構設計

礦用巡檢機器人驅動方式主要采用直輪驅動,行走裝置有三輪組成,前輪主要起支撐作用,驅動力由后邊兩個輪提供,每個驅動輪由單獨的電機驅動。直輪式礦用巡檢機器人主要由前置攝像頭檢測系統、氣體檢測系統、控制系統、機器人主體裝置底板以及驅動系統組成。其結構如圖1所示。

1-前置攝像頭檢測系統;2-氣體檢測系統;3-控制系統;4-機器人主體裝置底板;5-驅動系統。圖1 狹窄空間巡檢機器人裝置結構示意圖

1.2.1 裝置驅動系統

為了滿足巡檢機器人在復雜礦業環境中的運動、方便機器人的行走,每個驅動輪都由各自獨立的電機進行驅動,控制系統通過控制電機的轉動速度,改變輪1和輪2的速度來完成巡檢機器人的順利轉彎。驅動系統結構圖如圖2所示。由于巡檢機器人既需要在相對平整的行走環境行走也需要在凹凸不平的運行環境中行走?？赏ㄟ^更換機器人的前輪來使得機器人適應不同行走環境。如下圖所示,牛眼萬向輪僅適用于相對平整的行走面,為了滿足凹凸不平的環境可更換帶有萬向架的直輪,直輪的示意圖如圖3所示。此外,該機器人還能在管道中行走。前輪可以使用連接式六角螺栓螺母。裝置可以根據運行環境更換前支撐輪。

1-牛眼萬向輪;2-連接式六角螺栓螺母;3-驅動輪裝置。圖2 狹窄空間巡檢機器人驅動裝置示意圖

1.2.2 機器人巡檢系統

機器人的檢測系統主要由前置攝像頭檢測裝置、氣體檢測裝置以及防爆保護殼體這幾部分組成。前置攝像頭檢測裝置可用于檢測巡檢機器人的巡檢路況以及各類裝置的工作狀況。具體而言就是機器人的傳感器系統將反映檢測機器人前方礦井狀況、設備工作狀況的圖片傳至上位機并可以進行儲存。并且此裝置可以根據實際使用過程中的需求,利用控制系統控制攝像頭支撐架的舵機,完成攝像頭檢測裝置的上下升降。車身主體上安裝有有毒氣體檢測裝置,檢測裝置主要是由各類傳感器組成。實際應用中可以根據需要安裝不同類型的傳感器,比如利用傳感器進行礦井巷道內的溫度、濕度以及有毒氣體濃度等指標的檢測等。攝像頭檢測裝置下部安裝有報警警示燈和蜂鳴報警器。無論是前部攝像頭檢測裝置還是氣體檢測裝置都和報警裝置聯合使用,只要檢測系統檢測到異常情況,報警裝置就會起到作用。由于礦井的惡劣環境對巡檢機器人加裝了防爆殼體來,實現對巡檢機器人的保護。巡檢機器人的巡檢系統如圖4所示。

1-前置攝像頭檢測裝置;2-報警指示燈裝置;3-蜂鳴報警器;4-攝像頭支撐架;5-調節調角舵機;6-氣體檢測裝置;7-防爆殼體。圖4 機器人巡檢系統示意圖

1.3 巡檢機器人控制系統設計

巡檢機器人主要滿足狹窄空間的巡檢任務,為了提升機器人的自動化水平,就對機器人的控制系統有了較高的要求。因此機器人巡檢系統由巡檢機器人、數據傳輸裝置以及上位機人機交互平臺組成。主要是各類傳感器與主控制模塊來進行相關數據的采集。裝置的控制方案如圖5所示。機器人的巡檢流程圖如圖6所示。

圖5 巡檢機器人工作方案

圖6 巡檢機器人巡檢流程圖

2 巡檢機器人的運動分析

為使機器人在巡檢過程中順利通過狹窄空間,對機器人運動特性進行研究至關重要[12]。本文對機器人彎曲環境的通過性進行分析,檢測一定曲率半徑彎曲環境中機器人的轉彎特性。

2.1 機器人的轉彎分析

將機器人視為理想的剛性原件進行簡化處理,如圖7所示選取一定的曲率半徑,看裝置是否與環境形成干涉,產生卡堵現象。圖中令O為坐標系的原點,r表示彎曲環境中心到原點的距離。b為機器人的寬度,t為機器人的長度,D為彎曲環境兩障礙物之間的距離。OP表示原點到遠離原點的機器人遠端的距離,OP與彎曲環境相交于點y。

圖7 巡檢機器人轉彎通過性示意圖

如果巡檢機器人順利轉過彎曲環境應該滿足以下條件:

(1)

即應該滿足下式數學關系:

(2)

其中,r=400 mm,D=160 mm,t=240 mm,將這些數據帶入式(2)中可得機器人的寬度應該小于144.8 mm才能順利通過障礙寬度為160 mm的彎曲路況。

在轉彎的過程中,驅動輪H1靠近曲率中心(輪速為v1),驅動輪H2靠近曲率中心(輪速為v2)設輪子到所走彎曲路線中心距離為Q(假設機器人轉彎軌跡為以曲率中心為圓心得圓弧)。轉彎過程中兩輪速度之間的關系滿足:

(3)

2.2 轉彎過程中考慮滑移時的運動分析

機器人在進行轉彎時利用差速原理控制兩個驅動輪具有不同的速度來達到轉彎的效果。但是在機器人運行過程中輪子和接觸面之間的滑移不可避免,因此需要考慮滑移時的運動狀況。建立相應的模型如圖8所示。在圖中vt為沿著行走方向的滑移,vs為垂直行走方向的滑移,ω和ω1分別為沒有滑移和有滑移的角速度,θ為轉彎過程中的運動角度。v則為理想狀態機器人轉彎時質心速度。

圖8 考慮滑移時的轉彎模型圖

存在滑移時轉彎運動學模型為:

(4)

經過分析轉彎滑動的運動學模型為:

(5)

3 巡檢機器人的仿真分析研究

ADAMS是較為常用的動態仿真軟件[13]。本文將所設計的巡檢機器人的三維模型導入ADAMS軟件中進行相應的模擬分析。在進行分析時需要對模型進行簡化并且對無關的零部件作布爾求解,設置一定的仿真時間,模擬設置曲率半徑為400 mm,障礙物之間距離為160 mm的彎道環境。經過仿真可以得出下文敘述中的仿真圖。

經過分析可知轉彎過程中的巡檢機器人質心會發生一定程度的位移變化,質心變化的仿真圖如圖9所示。

圖9 機器人質心在X、Y軸方向的位移變化曲線

質心在X、Y兩方向產生一定的位移變化是因為運動過程中的差速轉彎,運動慣性造成機器人產生一定的滑移。但是由于兩驅動輪輪速之間的比例關系不會造成質心產生較大的位移,轉彎過程中機器人的質心輕微的位移變化不會影響轉彎過程。經分析,機器人可以順利轉彎。

靠近彎道曲率中心的輪速v1和遠離彎道的輪速v2在轉彎過程中隨時間的變化曲線如圖10所示。兩輪的速度變化趨勢是不同的,這是為了順利通過彎道,對兩輪進行了差速控制。遠端輪子輪速v2呈現先增大后慢慢減小,而近端輪子輪速由直道進入彎道時開始持續減少直到通過彎道。在轉彎過程中遠端輪子速度在某一瞬間達到最大值,最大值出現在機器人到達彎道的極限位置處。

圖10 巡檢機器人轉彎過程中兩驅動輪的速度變化曲線圖

4 相關的實驗驗證

搭建輪式巡檢機器人模型,并使用搭建的模型進行簡單的轉彎測試,在實驗室內自行擺放相應的障礙物,組成可供實驗的模擬彎道。搭建的機器人實驗裝置如圖11所示。

圖11 狹窄空間巡檢機器人試驗樣機及實驗圖

對轉彎過程進行實驗,記錄轉彎時間,得到實驗和仿真數據如表2所示。將實驗數據和仿真數據進行對比可以發現,實驗所得數據總是小于仿真模擬得出的數據,這是由樣機轉彎過程中輪子與地面之間的摩擦以及機器人樣機搭建中的誤差等實際因素造成的。

表2 巡檢機器人轉彎實驗、仿真數據表

5. 結論

(1)文中設計的狹窄空間輪式巡檢機器人具有結構簡單、方便攜帶、續航能力較好以及體積較小的優點。兩輪差速驅動,保證機器人順利過彎,可以完成狹窄空間的巡檢任務。

(2)對機器人的轉彎運動進行了分析,并且得出彎道曲率半徑與機器人尺寸之間的關系,保證了巡檢機器人彎道通過性。經過仿真分析可知機器人在轉彎過程中質心會有輕微的變化,但是不影響機器人的運行。為更好地研究機器人的運動在機器人轉彎過程中應適當考慮機器人運行過程中產生的滑移現象。在轉彎過程中兩驅動輪輪速需保證一定的比例關系才能順利通過彎道。轉彎時近端輪速逐漸較小,遠端輪速先增大后減小。通過對輪速的有效控制達到順利過彎的目的。

(3)搭建巡檢機器人試驗樣機,利用樣機進行轉彎實驗,實驗數值與仿真數值有一定的誤差但是誤差較小,實驗仿真對比驗證了巡檢機器人設計的合理性。本文巡檢機器人的設計與研究可為狹窄空間作業機器人的研究提供一定的參考。