煤矿井下搜救探测机器人可重构运动系统

摘要

现今，我国的煤炭生产和消耗量巨大。但国内高瓦斯矿井多、煤矿生产条件差，因此煤矿事故频发，造成了大量的人员伤亡和财产损失。煤矿发生瓦斯、煤尘爆炸事故后，井下巷道地形情况复杂，有毒有害气体集聚，并有可能发生二次灾难，救援人员不宜进入。然而，井上专家和决策者又急需获知井下环境情况，以便及时做出决策。由煤矿井下搜救探测机器人先行下井查看巷道破坏情形，测量有害气体浓度，并将获取到的信息以图像和数据的形式反馈到控制中心，为井上专家提供决策依据，这样就可在确保救援人员安全的前提下实施高效率救援，最大限度地减少人员伤亡和财产损失。因此，发明一种能够适应煤矿井下特殊环境的机器人运动装置是确保煤矿生产安全的一项紧迫任务。
　　 通过分析和综合国内外机器人的典型移动机构，并考虑到煤矿灾难现场的特殊性，本文提出了一种轮履可切换的煤矿井下搜救探测机器人。该机器人的最大创新之处在于：在履带式机器人的车身两侧增加了车轮连杆机构，可以通过连杆的运动来控制车轮机构的升降，从而实现车轮、履带两种运动模式的切换。在煤矿井下行驶时，机器人可以根据不同的路况灵活地选择使用履带或车轮行驶，具有较强的地形适应能力。
　　 首先，在CATIA中完成了机器人数字化模型的建立和装配工作，然后运用数学方法对新建立的机器人模型进行了运动学分析，而后利用CATIA与ADAMS的接口软件SimDesigner将机器人模型导入到ADAMS中，进行了机器人的运动仿真，并分析了仿真失败的原因，为后续研究工作的进行奠定了基础。
　　 为了验证机器人机构设计方案的可行性、直观展示机器人的运动原理，在ADAMS中建立了机器人的简化样机并进行了轮式和履带式切换运行的运动仿真。最后对仿真所得曲线进行分析，验证了所建立的机器人运动学模型的正确性。
　　 通过分析和总结现有PID控制器和模糊控制器的设计经验，本文提出了一种新型的Fuzzy-PID控制器用于煤矿井下探测机器人TUT-CMDR的电机转速控制。在MATLAB的SIMULINK环境下的设计出了Fuzzy-PID控制器，并提出了参数化的量化因子和比例因子，解决了因阶跃信号终值不同模糊语言变量基本论域不同的问题，最后对现有的模糊控制规则进行了改进。仿真结果证明这种新型的Fuzzy-PID控制器具有较好的电机转速控制效果。