《机器人技术基础》大作业
智能搜索机器人设计
——多节履带式煤矿井下搜索机器人设计
班级：32010704班
设计小组：吉红、志伟、泽宇、永飞、晓川、琛 时间：2010年12月29日
目录
1. 机器人设计目的·····················2 2. 机器人结构设计·····················3
2.1煤矿事故现场环境分析················4 2.2煤矿搜索机器人总体结构设计·············4 2.3煤矿搜索机器人行走履带设计·············5
2.3.1履带接地应力和地面承载能力··········6 2.3.2地面最大推力·················7 2.3.3地面最大推力牵引力的影响因素·········8 2.4煤矿搜索机器人关节模块设计·············9 2.5煤矿搜索机器人单元模块设计·············10 2.6煤矿搜索机器人运动驱动设计·············12 3.小结···························13
1. 机器人设计目的
近年来，随着原油价格不断攀高，国际能源紧局面再次显现。我国有着储量丰富的煤炭资源，是目前经济发展和社会运行的主要能源之一，全球能源紧局势的加剧和经济高速发展的迫切需要，对煤炭的需求量快速增长，促使许多煤矿超量超载运营。由于对安全保障设施投入的不足或各种非法的开采，导致矿难事故不断发生，对人民的生命安全构成了严重的威胁，给社会财产造成了严重的损失。
据统计：2005年全国煤矿共发生死亡事故3341起，死亡5986人；一次死亡10人以上特大事故58起，死亡1739人；一次死亡3-9人重大事故210起，死亡886人。从2004年四季度到2005年发生的百人以上的矿难事故就有6起。2006年1至4月份，全国煤矿发生安全事故死亡1154人，发生一次死亡3-9人的重大事故44起，一次死亡10人以上特大事故4起，一次死亡30人以上特别重大事故1起，2006年全国煤矿共发生事故294起、死亡4746人。全国煤矿平均2.5天就发生一起一次死亡3人以上的重特大事故。矿难事故主要包括瓦斯事故、粉尘爆炸事故、顶板事故、水害事故、运输事故等，其中以瓦斯事故最为严重，死亡人数所占比例最大。2005年全国煤矿发生瓦斯事故405起，死亡2157人，瓦斯事故死亡人数占全国煤矿事故总死亡人数的36.0%。煤矿井下发生瓦斯、煤尘等爆炸事故后，井下环境异常凶险，抢险人员一般难以在第一时间进入，往往在井上等待很长时间，直到井下情况有所好转才能下井，耽误了宝贵的救援时间。事故专家和决策者也由于缺少信息无法及时做出判断和决策，许多矿工因救援不及时而丧生。
基于此，本文提出一种多节履带式搜索机器人携带各类传感器等检测设
备，先于抢险人员进入井下，发挥自身越障功能到达矿井深处，探测井下爆炸事故破坏和环境、人员情况，并通过分散在巷道的小型通讯节点利用无线通讯手段将信息以声、像和数据的形式实时反馈到控制中心，辅助指挥人员进行紧急决策或实施快速、有效的救助。该项目研究对提高煤矿事故应急抢险能力、减少人员伤亡、决策建议具有重要的意义，同时也促进了机器人技术的研究、应用和推广。为煤矿事故处理过程中更安全、更快速地搜索被困人员、侦察和监督危险地域情
况提供一种替代人工作业的高效煤矿井下搜索探测机器人，为减少人员伤亡、确保安全生产提供有力支持，为煤矿生产现代化、提升煤矿安全生产水平起到积极的推进作用。本文研究的机器人除用于煤矿矿井安全生产探测以及用于抢险目的外，还可用于地铁硫矿、铜矿爆炸等生产矿山和其它事故灾害现场，广阔的推广领域极提高了其社会效益和经济效益。
单元模块
对于完成搜救任务的机器人可以分为如下五个系统：机械系统、控制系统、 通信系统、传感系统和能源供给系统。
功能实现
在此基础上发展适当的智能控制，进入到半自主和遥控相结合的阶段，机器人能够辨别障碍，构建电子地图，并进行自主避障、路径规划、路径跟踪、任务规划等。并进一步提高机器人的搜索能力，包括特征识别、环境识别，具体为辨认幸存者和环境结构。未来将提高机器人的视觉、机械和远程医疗的能力，机器人将能够救助已经没有意识的幸存者，能够在非结构环境中开辟通道，可以对幸存者进行医疗救助。
2.机器人结构设计
2.1煤矿事故现场环境分析
煤矿事故发生后，井下呈现出非常复杂的非结构化环境，尤其发生爆炸后，各种碎片散落堆积、并可能伴有积水、淤泥等，对煤矿搜索机器人来讲，环境异常恶劣，图2-1显示了矿井下的一些情况。
通过分析，煤矿发生事故后的地形可以总结为：
(1)入口狭小；(2)有限的空间；(3)地面有积水；(4)爆炸腐蚀气体； (5)到处充满碎片不稳定结构；(6)缺少照明；(7)通讯困难，GPS不能用。
2.2煤矿搜索机器人总体结构设计
通过对煤矿搜索机器人使用环境分析，我们可以得出井下搜索探测主要面对四种障碍(如图2-2所示)：(1)普通的粗糙地面；(2)相对机器人车体较高的障碍；(3)上下甚至左右都有障碍只有一个狭小的开放空间；(4)相对机器人车体较长的裂缝。
机器人在煤矿井下深处所经历的复杂地形，对其越障能力提出了更加严格的要求。首先，搜索机器人必须具有很强的地形附着能力，履带式机器人可以满足这个要求，比轮式机器人更适合井下环境。其次，搜索机器人必须能进入狭窄空间和跨越较大裂缝(相对自身大小)。单体履带移动机器人具有较大的体积(横截
多节履带式煤矿井下搜索机器人设计说明
