矿用履带式管道清洁机器人的改进与运动学仿真_李怡伸

坡性能更优越。
［4］ 毛立民，于海涛． 基于 ＲecurDyn 的四履带足机器人运动学仿
3 结语
真［J］． 机器人技术，2009，25（ 12） ： 185-187． ［5］ 李平，姜红娟． 管道清掏助手机器人方案设计及行走条件分
本文对固定式矿用履带式管道清洁机器人提出 了一种改进型，构建了三维模型，并用多体动力学仿 真软件 ＲecurDyn 对两种机器人爬坡过程分别进行 了运动学仿真，得出车体质心在垂直方向上的位移
可见，固定式履带机器人爬坡过程中只有两个 负重轮同时与管壁接触，履带与管壁近似线接触，有 效接触面积小，履带磨损大，对负重轮和履带轮固定 架的强度要求也大大提高。 1． 2 改进型履带机器人爬坡过程分析
改进型履带机器人爬坡过程如图 2 所示。
括 1 个主动轮、1 个导向轮和 2 个负重轮及其他附 属机构，采用前主动轮驱动方式。 2． 2 行走机构运动副及约束
式下备用主通风机因某种原因突然无法启动带来的 安全隐患。
3） 通过控制程序合理设计风门的开度及开机 过程的风叶角度，有效规避主通风机在大风阻下的 堵转问题； 通过对空风门，避免了备用主通风机启动 之前产生的风路短路现象； 通过风叶可调，避免了带 阻力情况下开启挂网风门，及备用主通风机启动过 程对电网造成的影响，为矿井的安全通风创造条件。
固定式履带机器人的运动副均为转动副，即主 动轮、导向轮和负重轮与车体之间均可相对转动。
改进型履带机器人的行走机构包含的主要运动 副如下： 主动轮、导向轮同车体之间是转动副； 平衡 杆与两个负重轮之间是转动副； 而车体上的连接杆 与而负重轮平衡杆之间是转动副。 2． 3 道路模型
本文采用非沉陷刚性路面模拟仿真矿用通风管 道［3］，可直接用 ＲecurDyn 的 Ground 模块建立车辆 与道路模型如图 3 所示。履带与路面间的接触参数 采用默认。
析［J］． 机床与液压，2009，37（ 10） ： 37-39．
作者简介： 李怡伸（ 1988 － ） ，男，助理工程师。2010 年毕业于中国
矿业大学，研究方向为煤矿机械和机器人技术。 （ 收稿日期： 2014 － 08 － 22； 责任编辑： 陶驰东）
设计［J］． 机械设计与研究，2005，21（ 6） ： 47-49． ［2］ 骆清国，司东亚，龚正波，等． 基于 ＲecurDyn 的履带车辆动力
学仿真［J］． 车辆与动力技术，2011（ 4） ： 26-28． ［3］ 李阳，成凯，任鹏． 基于 ＲecurDyn 的铰接式履带车辆爬坡性
能分析［J］． 煤矿机械，2011，32（ 7） ： 93-95．
·86·
煤矿机电
2015 年第 1 期
矿用履带式管道清洁机器人的改进与运动学仿真
李怡伸
（ 华晋焦煤有限责任公司 沙曲煤矿，山西 吕梁 033300）
摘 要： 通风管道的通畅直接关系到煤矿的正常生产。现有大多数矿用履带式管道清洁机器人
方案的承重轮固连在车体上，在行走过程中容易引起较大的振动和冲击，与管壁的接触面积也较
状态转为正常运行的不确定性，克服了传统倒机模
（ 收稿日期： 2014 － 08 － 29； 责任编辑： 姚克）
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿
（ 上接第 87 页）
变化规律； 有效证明改进型履带机器人爬坡作业时
1） 固定式履带机器人在爬坡时由于前履带的 能够有效减振，降低车体重心，具有明显的优越性。
0． 9 s 后整车达到静平衡。在这一阶两种履带机器
人的情况基本相同。
1 s 后车辆开始匀速行驶，爬坡过程中车体质心
在垂直方向上的变化曲线完全符合之前对两种履带
机器人的分析。
（ 下转第 90 页）
·90·
煤矿机电
201会造成开 启原备用主通风机挂网风门过程的瞬间风量较小现 象，但不会引起瓦斯积聚。具体的倒机过程见图 4。
4 不停风倒机系统的安全可靠性分析 采用 对 空 风 门、液 压 动 叶 可 调 方 式，通 过 S7-
参考文献： ［1］ 郭成兴，田文杰，王应洲． 高瓦斯矿井主通风机配置方式 ［J］．
煤矿机电，2010（ 4） ： 94-96．
300 PLC 监控系统实现了不停风自动倒机。 1） “一键式”操作倒机和自动识别运行主通风
Abstract： The cleanliness of the ventilation pipe of coal mine directly related to the normal production． On the most existing projects of pipe cleaning robot for mine，the supporting wheels are fixed on the vehicle body，which is easy to cause severe vibration and impact in walking process． Since the contact area with the pipe wall is small and the track will be worn severely． In view of the defect，the fixation of supporting wheels is modified． The kinematic simulation of climbing process of the both robots is carried out by ＲecurDyn． The superiority of the improved robot has been verified． Keywords： mining pipe cleaning； track robot； climbing performance； kinematic simulation
文献标识码： A
文章编号： 1001 － 0874（ 2015） 01 － 0086 － 03
Improvement and Kinematic Simulation of Track Ｒobot for Pipe Cleaning in Mine
Li Yishen
（ Shaqu Mine of Huajin Coke Co． ，Ltd． ，Lüliang 033300，China）
小，履带磨损较大。针对此缺陷设计了一种改进型履带机器人，对承重轮的连接形式进行了改进。
通过分析固定型和改进型矿用履带式管道机器人的爬坡过程，并利用 ＲecurDyn 对二者的爬坡过程
进行运动学仿真，经过比较，验证了改进型机器人的优越性。
关键词： 矿用管道清洁； 履带机器人； 爬坡性能； 运动学仿真
中图分类号： TH693． 9
0 引言
煤矿中使用的通风管道会因灰尘堆积造成管道 不畅，送风不清洁，增加风机负载，缩短风机使用寿 命，因此需要采用管道清洁机器人清理管道［1］。现 有的固定式履带机器人的行走机构较为简易，主动 轮、诱导轮和负重轮的转动轴均固定在车体上，爬坡 性能较差，引起的振动和冲击也较大。因此，对这种 行走机构 进 行 了 改 进 设 计，并 用 动 力 学 仿 真 软 件 ＲecurDyn 对爬坡过程进行运动学仿真，验证了改进 型履带式管道机器人爬坡性能的优越性。
5 结语
通过对空风门、液压动叶可调主通风机实现不
停风倒机方式，以及自动监控系统的硬件构成、不停
风倒机程序流程，为主通风机稳定工作、减小井下风
流波动、实现瓦斯浓度不超限创造条件，有利于提高
矿井通风系统的安全可靠性。本不停风倒机技术建
图 4 矿井主通风机故障情况下的不停风切换程序流程图
议优先在建议新建矿井、通风系统改造矿井，尤其是 高瓦斯矿井使用。
（ a） 静平衡阶段
（ b） 前履带接触斜面
（ c） 前履带的前负重轮
（ d） 前履带完全爬上斜坡，
爬上斜坡
后履带接触斜面
图 2 改进型履带机器人爬坡过程示意图
第一阶段，履带车处于静平衡位置。 第二阶段，当前履带爬上斜面时，平衡杆自动摆 动一角度，使得两个负重轮均与斜面接触，履带与斜 面的接触面积增大。 第三阶段，前、后履带的平衡杆根据地形自然摆 动，使得四个负重轮都能接触壁面。 第四阶段，前履带爬上斜坡后，前、后履带的负 重轮都没有出现悬空现象，继续爬行。 由以上分析可以看出，根据地形自由摆动履带 负重轮，不会出现悬空现象，大大增加了与管壁的接 触面积，履带的磨损因而减小，对履带轮固定架的强 度要求也大大降低。在爬坡过程中履带机器人的重 心较低，增加了运动的稳定性，减少了倾覆的风险。
2． 4 仿真结果分析 仿真运行时间设定为 10 s，得到两种履带机器
人爬坡过程中车体质心在垂直方向上的变化曲线， 如图 4 所示。
（ a） 固定式履带机器人
（ b） 改进型履带机器人
图 4 两种履带机器人车体质心在垂直方向上的位移曲线
仿真开始，履带车辆在重力作用下自由下落到
水平面上，车体质心在垂直方向上有上下振动，约在
2015 年第 1 期
煤矿机电
·87·
第三阶段，前履带的前负重轮爬上斜坡，着地前 行，前履带的后负重轮和后履带的前负重轮仍处于 悬空状态，车体质心水平移动，直到前履带的后负重 轮爬上斜坡，使车体质心升高。
第四阶段，前履带已完全爬上斜坡，后履带开始 与斜面接触，前履带的前负重轮和后履带的后负重 轮处于悬空位置，车体质心逐渐升高直至整车爬上 斜坡。
［4］ 王建华，陈岩，彭为革，等． 矿井主通风机自动监控系统的设计 与应用［J］． 煤矿机电，2013（ 6） ： 82-84．
2） 降低了启动风阻，提高了备用主通风机启动 作者简介： 张汉昌（ 1970 － ） ，男，高级工程师。1992 年毕业于山东
的成功率，实现备用主通风机的热备用，避免由冷备 矿业学院济南分院，现任陕西正通煤业公司机电副总工程师。