煤矿救灾机器人毕业设计论文[管理资料]

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
ABSTRACT
Coal mine rescue robot is one kind of robots used in underground destroyed coal mine. It can rescue trapped miners in the underground instead of mine rescue team after mine disaster. It will avoid casualties of mine rescue team in this way. At the same time after the explosion and the rescue process of detection in the coal mine, mine rescue team in underground load operation under high temperature environment, and their physical as well as consumption of oxygen is huge. A major role in the coal mine rescue robot is to replace the mine rescue team to transport, and transfer the wounded and the victims to a safe area. Rescue robots had to carry the necessary equipment and apparatus, so the rescue robot should have sufficient size and power and good endurance capacity.
First of all, on the basis of these requirements, I designed the mechanical parts of the coal rescue robot. In comparison, I choose the wheel body. At the same time, I take the special working environment for the coal mine rescue robot into account, so I try to achieve all-round mobile synchronization through the chain drive. And it can overcome the shortcomings of Wheeled Mobile institutions such as the cross-channel capabilities and easy to spin. In refer to PACKBOT robot, I design the arm for the robot, so it can across the barriers more easily.
Secondly, hardware circuit of robot control system is designed in detail, such as data acquisition unit circuit, motion control unit circuit; encoder analyzing unit circuit and so on.
Keyword：Wheeled；Sync mobile；Arm；Data Acquisition；Motion Control
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目录
1绪论 (1)
引言 (1)
设计背景、意义 (1)
(1)
设计基础 (3)
国内外研究与应用现状 (4)
本章小结 (5)
2行走机构方案确定 (5)
煤矿灾害现场特征 (6)
矿井灾害的非结构环境特征 (7)
行走机构方案选择与确定 (7)
(7)
履带式机器人 (8)
腿式机器人 (9)
其它形式机器人 (9)
行走方案的确定 (11)
本章小结 (11)
3机器人行走机构的机械设计 (12)
机器人行走机构总体方案 (12)
主传动系统设计 (13)
摆臂方案设计 (14)
机器人行走机构具体设计 (15)
主传动系统的具体设计 (15)
摆臂方案的具体设计 (38)
本章小结 (42)
4 电气系统的分析与设计 (42)
数据采集单元电路 (43)
A/D转换电路设计 (43)
高速光耦电路设计 (45)
串行通信电路设计 (45)
单片机程序设计 (46)
运动控制单元电路 (47)
后轮电机驱动电路 (47)
摆臂电机驱动电路 (48)
串行通信电路设计 (49)
单片机程序设计 (50)
编码器解析单元电路 (54)
电路设计 (54)
单片机程序设计 (55)
本章小结 (56)
5 结论 (57)
参考文献： (58)
翻译部分： (59)
英语原文 (59)
中文翻译 (66)
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1绪论
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。

设计背景、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。

2009年2月22日山西焦煤集团屯兰矿“”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。

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。

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。

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,,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。

⑶机器人的续航能力差，。

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。

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76 ｍ。

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 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。

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。

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。

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。

,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。

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。

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。

行走机构方案选择与确定
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,。

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°，。

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。

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。

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。

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。