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履带式全地形探测机器人
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作者:1603226

作品亮点:

履带式全地形探测机器人采用差动平衡机构将主车体与两侧的双梯形履带行走机构相连,使机器人具有被动适应地形的能力,大大提高了机器人的越障与地形通过性能。机器人既能适应人工建造的台阶、沟道等规则地形,又能使用复杂的非结构化地形。适用于灾害后的环境探测与搜救,以及复杂地形的日常巡检,可应用于矿井灾后探测搜救、消防探测、军用侦查等领域。

作品说明:

履带式全地形探测机器人
摘  要
使用人力对储油仓库进行巡检并不能准确实时的对险情进行监控,灾难发生时,往往会造成人员伤亡和资源的浪费。采用履带式行走部的消防机器人可以攀越台阶、跨过沟壑,具体良好的地形适应性;差动平衡装置将减小车体在崎岖路面上行走时的俯仰角;升降云台和多种检测仪器可以准确的检测到危险气体或火源;基于rfid射频技术与磁感开关相结合的定位模块可以控制机器人在复杂地形中进行巡检;消防装置对火源进行快速而准确的控制。在RecurDyn对巡检消防机器人进行动力学仿真,验证能否顺利通过仓库复杂地形。
关键词:消防机器人;履带;巡检

课题背景
中国经济正处于快速增长阶段,作为我国经济的支柱产业之一的石油化工也在快速发展,石油开采量也日益增大,石油开采后就需要存储和转运,这就带动了越来越多大型石油、化工库的兴建,这些储库一旦发生火灾将引起极大地危害,造成资源浪费、环境污染、国家财产损失和人员伤亡,甚至会引起爆炸,造成不可估计的影响。
2010年7月15日下午,利比亚籍“宇宙宝石”号油轮将原油运抵大连新港码头卸油。受中油燃料股份有限公司委托的上海祥诚公司和天津辉盛达公司,分别负责加注“脱硫化氢剂”和现场作业指导。由于有关管理人员和现场操作人员违反安全管理规定并违章作业,造成管道连接脱落和“脱硫化氢剂”泄漏,直接导致16日18时左右的爆炸起火,如图1-1。紧接着,7月16日18时10分,辽宁省大连市开发区新港镇输油管道发生爆炸引发火灾。经过15个小时的连续奋战,大火被成功扑灭。这起事故虽未造成人员伤亡,但大火持续燃烧15个小时,事故现场设备管道损毁严重,周边海域受到污染,社会影响重大,教训极为深刻。
图1-1 大连新港火灾事故.jpg
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图1-1 大连新港火灾事故
图1-2 天津塘沽爆炸.jpg
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图1-2 天津塘沽爆炸
又如图1-2,2015年8月12日23:30左右,位于天津市滨海新区天津港的瑞海公司危险品仓库发生火灾爆炸事故,造成165人遇难(其中参与救援处置的公安现役消防人员24人、天津港消防人员75人、公安民警11人,事故企业、周边企业员工和居民55人)、8人失踪(其中天津消防人员5人,周边企业员工、天津港消防人员家属3人),798人受伤(伤情重及较重的伤员58人、轻伤员740人),304幢建筑物、12428辆商品汽车、7533个集装箱受损。截至2015年12月10日,依据《企业职工伤亡事故经济损失统计标准》等标准和规定统计,已核定的直接经济损失68.66亿元。
因此,对石油、化工储备库的火情检测是一个亟待解决的问题。
通常,人力检测费时费力,监控范围小,并且不能做到准确实时的监控,一旦火情发生,若检测人员未能及时发现,或者,火源较小不易发现时,不但检测人员本身面临着极大的危险,火情也会随之发展,甚至不受控制,这将带来更大的危害。这就要求设计出一种可以代替人工进行检测的石油、化工储库巡检消防机器人。
该机器人不仅可以按照既定程序在预定线路进行行走,即在设计好的最优路线上行走,该最优路线可以全面覆盖仓库以保证检测的完整性,同时搭载监控云台和红外热成像仪等设备,可以检测到危险气体和火源并对其进行灭火、控制。
但是,石油、化工库的地形比一般路面复杂,并不都是平坦路面,通常会有斜坡、独立台阶、连续台阶、凸台和沟道等几类地形,或者其中的几种组合而成的地形,一般的移动机器人采用轮式底盘,不仅难以通过坡度较大的斜坡,无法攀越台阶,更无法越过凸台,这就为仓库巡检消防机器人的设计带来了挑战。为了可以正常通过这些障碍地形,设计了一种双梯形履带式巡检消防机器人。

第二章 储油仓库常见复杂地形:

1.1  斜坡地形
斜坡是一种连接不同水平地面的特殊地形,储油仓库中就存在着很多斜坡地形,比如罐区和罐区之间,罐区和装载区之间,装载区和辅助生产设施之间均存在着或长或短的斜坡式地形,斜坡式地形的结构简图如图2-1所示,斜坡式地形的主要结构参数有下平面长度  、上平面长度  、斜坡长度  、斜坡宽度  和斜坡倾斜角  , 双梯形履带式巡检消防机器人在斜坡上行走时,不产生倾覆的最大倾角是设计时的一个重要参数。
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图2-1 斜坡式地形结构简图


2.2  台阶地形
台阶地形同斜坡式地形一样,连接上下两平面的一种地形,斜坡式地形方便设备、车辆等通过,二台阶地形可以方便人员行走。在储油仓库中,像装载区便存在台阶,装载区和辅助设施区域之间往往也有台阶,巡检消防机器人在石油、化工库中行走会遇到很多类似的障碍,而且在很多情况下是无法规避而必须顺利通过的,因而需要对台阶地形的结构和主要参数进行分析。台阶地形可以分为单级的独立台阶和多级的连续台阶。
2.2.2  连续台阶地形
连续台阶是人工建造的一种台阶,方便行人攀越高度差较大的两平面。连续台阶按布置方式可分为曲线台阶和直台阶;按台阶结构形式又可分为有立板台阶、无立板台阶和半立板台阶,一般石油、化工库中建造的基本都属于有立板的直台阶,其结构简图如图2-3所示。连续台阶的主要参数包括台阶宽度B、单级台阶的高度hss、台阶面的跨度bss、台阶的坡度αss和台阶的坡距css,其中台阶的坡度αss=arctan(hss/bss),台阶的坡距file:///C:/Users/90432/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif。
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图2-3 连续台阶结构简图
台阶宽度B是制约巡检消防机器人双条履带能否同时参与攀爬台阶的一个重要参数,单级台阶的高度hss和台阶面的跨度bss是巡检消防机器人攀越台阶地形的两个主要的性能指标。
2.4 沟道地形
沟道地形也是储油仓库中常见的一种地形,比如仓库在建设期设计的排水沟,以及后期根据需要挖出的沟道,另外在油罐等重物锤砸地面使其下沉等也属于沟道特征的地形。常见沟道地形的结构简图如图2-5所示,主要参数包括跨越沟道前的上平面长度Ls1、沟道的跨度bg、跨越过沟道后又上到的上平面长度Ls2、沟道的宽度B和沟道上平面与下平面之间的深度Hg。Ls1是巡检消防机器人调整姿态准备跨越沟道的空间;bg和Hg是巡检消防机器人探下沟道又攀上沟道的过渡空间;Ls2是巡检消防机器人越过沟道后回到上平面的空间;沟道地形的宽度B决定了巡检消防机器人左右两条履带能否同时参与跨越沟道障碍。其中,沟道的跨度bg和深度Hg是沟道地形最重要的两个特征参数,当沟道的跨度bg较小时,巡检消防机器人通过沟道只需一个很小的下沉量,此时深度Hg对巡检消防机器人越障的影响不大;但当跨度bg较大时,巡检消防机器人跨越沟道时的下沉量就比较大,此时深度Hg就会成为救援机器人跨越沟道的制约因素。
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图2-5 沟道地形结构简图

第三章  双梯形履带式巡检消防机器人的设计
3.1 总体方案与传动方案
双梯形履带式巡检消防机器人,主要包括移动系统、传动系统、动力系统、控制系统和探测系统等,结构上主要由车身主体、左右两侧对称的双梯形履带式行走部和差动平衡机构构成。如图3-1所示,图a为设计的机器人三维模型图,图b为制作的样机。车身主要由箱体、箱盖、电池、控制板、云台、鱼眼摄像头等探测装置组成;双梯形履带式行走部主要由电机、传动系统、履带架、履带、承重轮和改向轮构成,其中,传动系统由链轮、链条、驱动轮构成,本设计的两个履带架所形成的几何外形不同,主要表现为接地处的梯形内角不同,这样可以达到更好攀爬较大障碍的效果,电机由链轮链条机构将扭矩传递给驱动轮,同时,驱动轮另一侧也装有链轮,该链轮与另一条履带驱动轮处的链轮通过链条传动扭矩;差动平衡机构由摆杆、轴套和内外螺纹杆端关节轴承组成。
箱体内部分为两部分,从前到后依次是动力系统和控制系统,动力系统为电机提供电源,电机经传动系统将扭矩传递给前后履带式行走部的驱动轮,传动系统由齿轮减速器和两级链传动构成,Ⅰ级链传动的从动轮和Ⅱ级链传动的主动链轮与前侧履带的驱动轮同轴,通过键连接在轴上,Ⅱ级链传动的从动链轮通过键连接安装在后侧履带驱动轮的轴上,Ⅰ级链传动的主动链轮与电机相连,扭矩通过齿轮减速器和两级链传动传递给前后履带。
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(b) 7.jpg

  双梯形履带式巡检消防机器人的设计

3.2  差动平衡机构
本参赛作品设计的巡检消防机器人有左右两个悬架,连接这两个悬架的就是差动平衡机构,没有差动平衡机构的普通移动机器人,车身整体相对固定,只有一个摆角,安装有差动平衡机构的移动机器人,左右两个悬架都可以绕着主车体旋转,整个移动机器人就会有三个摆角,这可减弱左右两侧悬架彼此之间的影响,两侧悬架均可以随着地形摆动,增大了移动机器人对复杂路面的适应性,另外,差动平衡机构可以对左右两侧悬架的摆角进行线性平均,所得值即是主车体的摆角,这可以大大提高主车体的稳定性,主车体在随路面起伏变化的过程中相对比较平稳,减弱了所携带设备的振动,本设计的履带行走机构前端携带有摄像头,差动平衡机构的设计也可以提供更稳定的视频画面,另外由于左右履带行走机构对地面的适应性,机器人的重量可以相对均匀的分布在左右两侧的履带上,提高了履带行走机构的稳定性,抗颠覆性。
3.3.2  差动平衡机构功能仿真
差动平衡机构主要有齿轮式和连杆式两种,齿轮式差动平衡机构是一个由太阳轮、行星轮、行星架和机架组成的行星轮系,这种齿轮系结构紧凑,占用体积小,布置在主车体内部,传动精准,能精确的对左右两侧的摇杆悬架的转角、转速进行线性平均。 “勇气号”“机遇号”火星车、哈尔滨工业大学的月球车移动系统和中国矿业大学的摇杆式四轮机器人移动平台等用的都是齿轮式的差动平衡机构。
连杆式差动平衡机构通过连杆连接左右摇杆悬架和主车体,安装布置在主车体外侧,这种形式的差动平衡机构能够近似的对左右两侧的摇杆悬架的转角、转速进行线性平均,结构简单,便于设计,加工方便,且承载能力强,不占用主车体内部宝贵的空间,需要注意的是布置时不要妨碍主车体和左右摇杆悬架的外部结构。“索杰纳”火星车和中国矿业大学的摇杆式双梯形履带机器人都使用了连杆式的差动平衡机构。本设计的履带行走机构使用的就是连杆式的差动平衡机构,该机构由连杆、内/外螺纹杆端关节轴承、摆杆和轴套组成,为了验证差动平衡机构的作用,设置一种单边障碍的起伏路面,让履带行走机构在有差动平衡机构和无差动平衡机构的状态下分别通过该路面,如图3-2所示,从图中可以看出,两者通过单边障碍的方式明显不同,为了更直观的看出两者的差别,输出两种状态下主车体的摆角,如图3-3所示,图中红色曲线是无差动状态下主车体的摆角,蓝色曲线为有有差动状态下主车体的摆角。在1s之前和14s之后这两段时间里,履带行走机构没有遇到单边障碍,两条曲线基本是吻合的;在1~14s之间,履带行走机构攀越单边障碍,两条曲线的大致趋势是相仿的,但是红色曲线的起伏程度明显大于蓝色曲线,即在无差动平衡机构的状态下主车体摆动的更剧烈,这也证实了差动平衡机构在履带行走机构攀越复杂地形时起到的重要的作用。
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图3-2单边起伏路面对比仿真
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图3-3主车体摆角曲线

这样,在通过石油、化工仓库较复杂的起伏路面时,双梯形履带式巡检消防机器人可以较平顺的通过,提高了地形通过性和巡检的效率。
4.1  建立仿真模型
在仿真前首先需要建立履带行走机构的仿真模型,由于RecurDyn中建模相对来说比较复杂,因此首先利用SolidWorks建立履带行走机构的三维模型,结合前文对各种地形分析得到的参数和履带行走机构的越障机理给结构赋初值,所建三维装配体如图3-1所示,由于.sldasm格式无法直接进行仿真,而且RecurDyn中有自己的履带和支撑轮模型,因此需去掉装配体的履带、驱动轮和支撑轮,在低速履带子系统Track(LM)中建立左右两侧履带,因此将左侧履带子系统、右侧履带子系统、主箱体和差动机构分别另存为.x_t格式。
进入低速履带子系统Track(LM),利用Import命令将SolidWorks导出的.x_t格式的左侧履带模型导入到履带子系统中,设置Grid=20,导入到RecurDyn中的零件数量很大,仿真时每一个零件都需要添加约束,计算量十分巨大,固定形状后所有零件都没有相对运动,因此使用Home菜单中的merge命令将所有零件组合成一体。
在添加支撑轮和驱动轮之前,首先确定各轮的安装位置,在相应位置建立Marker点,在各Marker点上建立支撑轮,并根据实际尺寸为其赋值,选择Track(LM)>>Sprocket命令建立驱动轮,在GermetryData选项卡中设置驱动轮参数,在GrouserProfile选项卡中选择Import命令,导入提前设置好的齿形剖面文件。选择Track(LM)>>Link命令建立履带板,在GermetryData选项卡中设置履带参数,在GrouserProfile选项卡中选择Import命令,导入提前设置好的履带板剖面文件,选择Track(LM)>>Assembly命令,按逆时针方向依次选择链轮和各支撑轮,最后在选择一次链轮,完成履带的装配[1]。履带建模过程中,由于驱动轮与履带板的销轴是需要啮合的,因此在履带装配好后,需要调节驱动轮的位置,使驱动轮与履带板的销轴干涉小于三分之一,选择BasicObject Control选项卡中的Rotate命令,旋转驱动轮到合适位置。
用同样的方式建立履带行走机构的右侧履带子系统,退出低速履带子系统Track(LM),利用Import命令导入主箱体和差动平衡机构的.x_t格式文件,同样使用Merge命令将箱体内的零件组成一体,组合后整个模型分为六部分,添加这六部分之间的约束副,选择Professional>>Joint>>Revolute命令,添加主车体和左右两侧履带、主车体和差动机构的铰接约束;选择Professional>>Joint>>Spherical命令,添加差动机构和两侧履带的球铰约束。
4.3  独立台阶仿真实验
由第二章分析可知,石油、化工库中独立台阶的高度一般不会超过250mm,在Ground中建立高为250mm的台阶地形,如图4-7所示,可以看出,履带前端最高处的支撑轮的中心到地面的距离大于台阶高度,满足仿真的初始条件。从图4-7可以看出,履带行走机构成功的攀越了250mm的独立台阶,从图中的红色轨迹线可以看出,履带行走机构在攀越过程中基本比较平稳,在台阶外角线处有一处凹陷,这是重心越过台阶外角线后履带行走机构绕外角线旋转形成的。图4-8是履带行走机构攀越独立台阶时的扭矩输出曲线,图中0.9s和5.5s处曲线出现了两个尖点,这是前侧履带和后侧履带在与台阶外角线接触时产生的,前侧履带与台阶外角线接触并开始攀爬时所需扭矩最大,约为160 N·m左右,这也和理论研究的结果相符,后侧履带与台阶外角线接触时产生第二个尖点,大小约为78 N·m左右,攀越过程中的扭矩一般在35N·m左右,一般不会超过60 N·m,实际控制时,在两个尖点处应该减小履带行走机构的运行速度,使履带行走机构能提供足够大的扭矩。
file:///C:/Users/90432/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image046.jpgfile:///C:/Users/90432/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image048.jpgfile:///C:/Users/90432/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image050.jpg  file:///C:/Users/90432/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image052.jpg 14.png 15.png 16.png 17.png
图4-7 独立台阶地形仿真实验
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图4-8 独立台阶扭矩曲线

4.5  凸台仿真实验
凸台地形主要可归纳为两种,一种是矩形凸台,一种是圆形凸台,这两种凸台在一个地形中仿真,建立直径200mm的圆形凸台和140mm宽,200mm高的矩形凸台,仿真成功,过程如图4-12所示,首先前侧履带攀上圆形凸台,行走机构向前行进至前后侧履带同时攀上圆形凸台,行走机构重心越过凸台圆心所在的竖直面,在重力和前后履带摩擦力的共同作用下,履带行走机构整体逆时针旋转,前侧履带接触地面,后侧履带攀爬上圆形凸台。攀越矩形凸台的过程与圆形凸台类似,但攀越矩形凸台时行走机构的重心变化没有圆形凸台平缓,从图4-12中红色的轨迹线也可以看出,攀越圆形凸台部分的曲线很圆滑,而攀越矩形凸台时重心上升的相对比较陡峭,这和地形本身的圆滑程度是一致的。
图4-13是履带行走机构攀爬凸台地形的扭矩输出曲线,曲线在1.2s、3.3s、5.6s、8s、10s处有五个尖点,这五点对应越障过程中的五个状态,分别是前侧履带接触圆形凸台开始攀爬、重心越过圆形凸台、后侧履带攀下圆形凸台、履带接触矩形凸台开始攀爬和重心越过矩形凸台,这五个状态下履带行走机构的受力最大,输出扭矩最大,最大值可达到160N·m,这五个状态下都应该降低履带行走机构的速度,增大扭矩的输出,正常状态下扭矩约在40 N·m左右,部分可达到60N·m。
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图4-12 凸台地形仿真过程
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图4-13 凸台地形扭矩曲线

第五章 总结
如今,越来越多石油、化工库兴建完成,然而在一些石油、化工库中,存在着火灾发生的可能,一旦微小火源进入石油库中,将引起极大地灾害。不但会造成石油资源的浪费,还会对周边较大范围的环境造成污染,同时在附近工作、居住的人员也面临着人身安全问题。
然而,通过人力进行巡检,不但费时费力,而且不能保证发现火源的准确性和实时性。单人的监测范围小,要想大面积的监控,往往需要极大地人力投入,这就进一步加大了成本的投入。即使投入了大量的人力,也没有达到很好的巡检效果。
开发机器人进行巡检是一个正确的方向,然而,储油库复杂的地形又是一个难题。像斜坡、台阶、凸台和沟道等环境都对普通移动机器人的地形通过性提出了挑战。
双梯形履带式巡检消防机器人便很好的解决了以上问题。由于单侧的两个履带单元采用双梯形结构,具有较大的攀爬角,同时装有差动平衡机构,该机器人不仅可以通过较大角度的斜坡,最大可达50°,还可以攀越独立台阶以及连续台阶,另外,可以顺利通过直径达到200mm的圆形凸台和140mm宽,200mm高的矩形凸台,宽500mm,深550mm的沟道也可以平稳的通过。
在搭载了鱼眼摄像头之后,可以更直观的远程操控机器人,检测云台上还装有红外检测仪,配合有基于rfid射频技术与磁感开关相结合的定位模块,能够快速的检测到火源并定位,进而对火情进行控制。
通过巡检消防机器人对储油仓库进行巡检,既提高了巡检效率和准确性,也降低了人员伤害和危险,对仓库本身的管理和周围居住的居民都是大有益处。







参考文献
,特种地面移动机器人机械系统设计与分析,2013.
,履带式移动机器人虚拟样机与动力学分析,2007.
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