工程科学学报，第39卷，第12期：1913-1921,2017年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.12:1913-1921,December 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.12.019:http://journals..ustb.edu.cn 煤矿搜救机器人履带式行走机构性能评价体系 李雨潭12》，李猛钢12》，朱华12)区 1)中国业大学机电工程学院，徐州2211162)江苏省矿山智能采掘装备协同创新中心，徐州221008 ☒通信作者，E-mail:zhuhua83591917@163.com 摘要为了探究何种履带式行走机构更加适用于煤矿搜救机器人，采用网络分析法从行走机构行走能力、防爆难易、操控 性以及可靠性四个方面对5种常见的履带式行走机构进行性能评价.对5种行走机构的空间通过性、最大越障高度、最大越 壕沟宽度和底盘高度进行了理论建模分析，同时提出了驱动电机数量对于防爆难易、操控性以及可靠性影响的数学模型.根 据煤矿搜救机器人设计经验以及所推导的理论模型，对5种行走机构采用网络分析法进行了量化评价.最终，评价结果认为 角度型行走机构更适于煤矿搜救机器人.基于评价结果，设计了CUMT-V型煤矿搜救机器人行走机构. 关键词煤矿：搜救机器人：履带式行走机构：性能评价：网络分析法 分类号TP242 Performance evaluation system of the tracked walking mechanism of a coal mine rescue robot LI Yu-tan'),LI Meng-gang),ZHU Hua 1)School of Mechatronic Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China 2)Jiangsu Collaborative Innovation Center of Intelligent Mining Equipment,Xuzhou 221008,China Corresponding author,E-mail:zhuhua83591917@163.com ABSTRACT The performance of a walking mechanism determines whether a coal mine rescue robot can successfully enter a disaster scene for conducting a rescue.To explore which type of the crawler-walking mechanism is more suitable for the coal mine rescue robot, five types of common crawler-type walking mechanisms were evaluated based on the following four aspects:walking ability,explosion prevention,handling,and reliability.In the process of evaluation,the space pass capacity,the maximum obstacle height,the maxi- mum trench width,and the chassis height of the five types of walking mechanisms were theoretically analyzed.Then,a mathematical model for determining the influence of the number of motor drives on the difficulty of explosion-proof,handling,and reliability was proposed.According to the design experience of the coal mine rescue robot and the theoretical model,the five types of walking mecha- nisms were quantitatively evaluated.Finally,the walking mechanism with the angle of entry and departure is found to be most suitable for the coal mine rescue robot.Based on the evaluation results,the CUMT-V coal mine rescue robot was designed. KEY WORDS coal mine;search and rescue robot;tracked walking mechanism:performance evaluation:analytic hierarchy process (ANP) 煤矿搜救机器人用来代替救援人员在事故发生后研制出了RATLER四、Simbot四、Groundhog▣、Cave 进行灾后环境探测和人员搜救，这对提高救援效率和 Crawler、ANDROS Wolverinet、Gemini scout、Num- 减少救援人员因二次事故伤亡具有重要意义.鉴于 bal、CUMT系列-、KQR48@等煤矿搜救机器人. 此，国内外对煤矿搜救机器人进行了广泛研究，成功的 但令人遗憾的是灾后环境复杂，煤矿搜救机器人尚未 收稿日期：201704-27 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA041504):江苏省优势学科建设工程项目(PAPD):江苏省2015年度普通高校研究生科 研创新计划(KYLX15_1418)
工程科学学报，第 39 卷，第 12 期: 1913--1921，2017 年 12 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 12: 1913--1921，December 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 12． 019; http: / /journals． ustb． edu． cn 煤矿搜救机器人履带式行走机构性能评价体系 李雨潭1，2) ，李猛钢1，2) ，朱 华1，2) 1) 中国矿业大学机电工程学院，徐州 221116 2) 江苏省矿山智能采掘装备协同创新中心，徐州 221008 通信作者，E-mail: zhuhua83591917@ 163． com 摘 要 为了探究何种履带式行走机构更加适用于煤矿搜救机器人，采用网络分析法从行走机构行走能力、防爆难易、操控 性以及可靠性四个方面对 5 种常见的履带式行走机构进行性能评价． 对 5 种行走机构的空间通过性、最大越障高度、最大越 壕沟宽度和底盘高度进行了理论建模分析，同时提出了驱动电机数量对于防爆难易、操控性以及可靠性影响的数学模型． 根 据煤矿搜救机器人设计经验以及所推导的理论模型，对 5 种行走机构采用网络分析法进行了量化评价． 最终，评价结果认为 角度型行走机构更适于煤矿搜救机器人． 基于评价结果，设计了 CUMT--V 型煤矿搜救机器人行走机构． 关键词 煤矿; 搜救机器人; 履带式行走机构; 性能评价; 网络分析法 分类号 TP242 Performance evaluation system of the tracked walking mechanism of a coal mine rescue robot LI Yu-tan1，2) ，LI Meng-gang1，2) ，ZHU Hua1，2) 1) School of Mechatronic Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China 2) Jiangsu Collaborative Innovation Center of Intelligent Mining Equipment，Xuzhou 221008，China Corresponding author，E-mail: zhuhua83591917@ 163． com ABSTＲACT The performance of a walking mechanism determines whether a coal mine rescue robot can successfully enter a disaster scene for conducting a rescue． To explore which type of the crawler-walking mechanism is more suitable for the coal mine rescue robot， five types of common crawler-type walking mechanisms were evaluated based on the following four aspects: walking ability，explosion prevention，handling，and reliability． In the process of evaluation，the space pass capacity，the maximum obstacle height，the maximum trench width，and the chassis height of the five types of walking mechanisms were theoretically analyzed． Then，a mathematical model for determining the influence of the number of motor drives on the difficulty of explosion-proof，handling，and reliability was proposed． According to the design experience of the coal mine rescue robot and the theoretical model，the five types of walking mechanisms were quantitatively evaluated． Finally，the walking mechanism with the angle of entry and departure is found to be most suitable for the coal mine rescue robot． Based on the evaluation results，the CUMT--V coal mine rescue robot was designed． KEY WOＲDS coal mine; search and rescue robot; tracked walking mechanism; performance evaluation; analytic hierarchy process ( ANP) 收稿日期: 2017--04--27 基金项目: 国家高技术研究发展计划资助项目( 2012AA041504) ; 江苏省优势学科建设工程项目( PAPD) ; 江苏省 2015 年度普通高校研究生科 研创新计划( KYLX15_1418) 煤矿搜救机器人用来代替救援人员在事故发生后 进行灾后环境探测和人员搜救，这对提高救援效率和 减少救援人员因二次事故伤亡具有重要意义． 鉴于 此，国内外对煤矿搜救机器人进行了广泛研究，成功的 研 制 出 了 ＲATLEＲ［1］、Simbot［2］、Groundhog［3］、Cave Crawler［2］、ANDＲOS Wolverine［4］、Gemini scout［5］、Numbat［6］、CUMT 系列［7--9］、KQＲ48［10］等煤矿搜救机器人． 但令人遗憾的是灾后环境复杂，煤矿搜救机器人尚未
·1914· 工程科学学报，第39卷，第12期 得到实际应用，甚至没能顺利地抵达灾难现场.因此， 究，但通过样机可以看出并无统一设计标准，不同的机 煤矿搜救机器人的研究与应用仍有许多难点有待突 器人选用了不同类型的行走机构 破，行走便是其中之一. 考虑到煤矿搜救机器人工作环境的特殊性，在行 机器人若想顺利的实现救援，首先必须能够走到 走机构选型时，不仅应关注行走能力的高低，还必须综 灾难现场，行走机构性能的优劣决定了机器人能否顺 合考虑多种因素，如是否容易远程操控、防爆处理难易 利的实施救援.然而，对煤矿搜救机器人行走机构的 以及可靠性高低等.基于此，本文将对5种常用的履 研究并未得到足够的重视，多是将已有成熟的移动机 带式行走机构的综合性能进行评价，提出基于网络评 器人的行走机构移植到煤矿救援机器人上.但煤矿搜 价方法的行走机构性能评价系统 救机器人与常规移动机器人不同，其需要在地形复杂、 1评价对象 黑暗、通讯不畅且需要防爆处理的矿井灾后环境中开 展工作，这就要求在行走机构方案选型时，除了最基本 1.15种履带式行走机构概述 的行走性能外还必须兼顾防爆、操控性等因素.李允 常见的行走机构种类有轮式、履带式与腿式.从 旺田对煤矿救援机器人行走机构的构型进行了较为 地形适应性、控制难易以及以往的机器人样机中可以 全面的研究，提出了双履带式、四履带双摆臂式、六履 发现，履带式行走机构被更多的应用在了非结构化地 带四摆臂式以及摇杆式履带行走机构，并对每一种行 形中.因此，选用不同的履带式行走机构作为评价对 走机构的运动学与动力学特性进行了分析研究.但 象.常见的履带式行走机构主要有5种，中国矿业大 是，其并未给出何种行走机构更加适用于煤矿搜救机 学对5种行走机构均进行过研究，并研制了相应的煤 器人.孙国栋等从可操控性、机构复杂度、接地比 矿救援机器人样机，如图1所示.图1(a)为普通型双 压和越障性能4方面综合评估3种煤矿搜救机器人行 履式履带行走机构（以下简称普通型），图1()为带 走机构的优缺点，提出了W扩展型履带行走机构.但 有接近角和离去角的双履式行走机构（以下简称角度 是，其仅从定性角度研究，不够严谨.陈海龙与郭 型)，图1（©）为单摆臂式履带行走机构（以下简称单摆 鹏围、王忠民等也对煤矿搜救机器人行走机构进 臂型)，图1()为双摆臂式履带行走机构（以下简称 行了设计，但其对行走机构灾后适用性的研究不足 双摆臂型)，图1(e)是W型履带式行走机构（以下简 国外并无专门针对煤矿救援机器人行走机构选型的研 称W型). a (b) 图1基于5种不同履带式行走机构的机器人样机.(a)普通型：(b)角度型：(c)单摆臂型：(d)双摆臂型：()W型 Fig.1 Five types of crawler robots:(a)normal type:(b)angle type:(c)single-arm type:(d)double-arm type:(e)W type 忽略机器人箱体，仅考虑行走机构之间的异同可 过性、防爆处理难易、可操控性与可靠性4个方面对5 以发现，5种行走机构均采用左右两侧履带独立驱动， 种行走机构进行性能评价.为了便于分析做如下假 仅在履带形状和电机数量方面存在不同（图1（©）和图 设：(1)5种行走机构所用履带宽度相同、两条履带中心距 1()因为增加了摆臂，需要电机驱动摆臂运动).因 相同、履带前后最大切线距离相同：(2)与5种行走机构进 此，将基于上述两点不同进行评价分析 行装配的机器人箱体尺寸相同，记长宽高分别为L.、W。、 1.25种履带式行走机构性能理论分析 H(m=1~5):(3)5种行走机构所构成的机器人质量相 不同的履带形状会带来不同的地形通过性，不同 同：(4)重心位于各方向最大尺寸的中点处 的电机数量会带来防爆处理的难易不同、可操控性的 1.2.1地形通过性分析 不同与可靠性的不同.因此，主要从机器人的地形通 机器人的地形通过性包括很多方面，如爬坡能力
工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 得到实际应用，甚至没能顺利地抵达灾难现场． 因此， 煤矿搜救机器人的研究与应用仍有许多难点有待突 破，行走便是其中之一． 机器人若想顺利的实现救援，首先必须能够走到 灾难现场，行走机构性能的优劣决定了机器人能否顺 利的实施救援． 然而，对煤矿搜救机器人行走机构的 研究并未得到足够的重视，多是将已有成熟的移动机 器人的行走机构移植到煤矿救援机器人上． 但煤矿搜 救机器人与常规移动机器人不同，其需要在地形复杂、 黑暗、通讯不畅且需要防爆处理的矿井灾后环境中开 展工作，这就要求在行走机构方案选型时，除了最基本 的行走性能外还必须兼顾防爆、操控性等因素． 李允 旺［11］对煤矿救援机器人行走机构的构型进行了较为 全面的研究，提出了双履带式、四履带双摆臂式、六履 带四摆臂式以及摇杆式履带行走机构，并对每一种行 走机构的运动学与动力学特性进行了分析研究． 但 是，其并未给出何种行走机构更加适用于煤矿搜救机 器人． 孙国栋等［12］从可操控性、机构复杂度、接地比 压和越障性能 4 方面综合评估 3 种煤矿搜救机器人行 走机构的优缺点，提出了 W 扩展型履带行走机构． 但 是，其仅 从 定 性 角 度 研 究，不 够 严 谨． 陈 海 龙 与 郭 鹏［13］、王忠民等［14］也对煤矿搜救机器人行走机构进 行了设计，但其对行走机构灾后适用性的研究不足． 国外并无专门针对煤矿救援机器人行走机构选型的研 究，但通过样机可以看出并无统一设计标准，不同的机 器人选用了不同类型的行走机构． 考虑到煤矿搜救机器人工作环境的特殊性，在行 走机构选型时，不仅应关注行走能力的高低，还必须综 合考虑多种因素，如是否容易远程操控、防爆处理难易 以及可靠性高低等． 基于此，本文将对 5 种常用的履 带式行走机构的综合性能进行评价，提出基于网络评 价方法的行走机构性能评价系统． 1 评价对象 1. 1 5 种履带式行走机构概述 常见的行走机构种类有轮式、履带式与腿式． 从 地形适应性、控制难易以及以往的机器人样机中可以 发现，履带式行走机构被更多的应用在了非结构化地 形中． 因此，选用不同的履带式行走机构作为评价对 象． 常见的履带式行走机构主要有 5 种，中国矿业大 学对 5 种行走机构均进行过研究，并研制了相应的煤 矿救援机器人样机，如图 1 所示． 图 1( a) 为普通型双 履式履带行走机构( 以下简称普通型) ，图 1( b) 为带 有接近角和离去角的双履式行走机构( 以下简称角度 型) ，图 1( c) 为单摆臂式履带行走机构( 以下简称单摆 臂型) ，图 1( d) 为双摆臂式履带行走机构( 以下简称 双摆臂型) ，图 1( e) 是 W 型履带式行走机构( 以下简 称 W 型) ． 图 1 基于 5 种不同履带式行走机构的机器人样机． ( a) 普通型; ( b) 角度型; ( c) 单摆臂型; ( d) 双摆臂型; ( e) W 型 Fig． 1 Five types of crawler robots: ( a) normal type; ( b) angle type; ( c) single-arm type; ( d) double-arm type; ( e) W type 忽略机器人箱体，仅考虑行走机构之间的异同可 以发现，5 种行走机构均采用左右两侧履带独立驱动， 仅在履带形状和电机数量方面存在不同( 图 1( c) 和图 1( e) 因为增加了摆臂，需要电机驱动摆臂运动) ． 因 此，将基于上述两点不同进行评价分析． 1. 2 5 种履带式行走机构性能理论分析 不同的履带形状会带来不同的地形通过性，不同 的电机数量会带来防爆处理的难易不同、可操控性的 不同与可靠性的不同． 因此，主要从机器人的地形通 过性、防爆处理难易、可操控性与可靠性 4 个方面对 5 种行走机构进行性能评价． 为了便于分析做如下假 设: ( 1) 5 种行走机构所用履带宽度相同、两条履带中心距 相同、履带前后最大切线距离相同; ( 2) 与5 种行走机构进 行装配的机器人箱体尺寸相同，记长宽高分别为 Lm、Wm、 Hm( m = 1 ～ 5) ; ( 3) 5 种行走机构所构成的机器人质量相 同; ( 4) 重心位于各方向最大尺寸的中点处． 1. 2. 1 地形通过性分析 机器人的地形通过性包括很多方面，如爬坡能力、 · 4191 ·
李雨潭等：煤矿搜救机器人履带式行走机构性能评价体系 *1915* 越障能力、跨越壕沟能力、空间通过性、涉水能力、连续 空间通过性与底盘高度这2个参数十分易得，直 爬台阶能力、底盘离地高度等.但是并不是所有方面 接通过测量便可得出，因此不进行深入分析.越障能 均需要进行研究，如涉水能力实际上考验的是机器人 力和跨壕沟能力则需要根据机器人重心和履带形状进 的密封性，爬坡能力、越障能力以及连续爬台阶能力本 行计算得出，基于上述基本假设分别作5种行走机构 质上均是机器人的防倾覆能力.因此，从中选择相对 跨越壕沟和跨越障碍的示意图.其中机器人跨越壕沟 独立的，与行走机构自身密切相关的指标作为地形通 示意图如图2所示.此5种行走机构均是当重心恰好 过性的体现进行分析.故选择空间通过性、越障能力、 通过沟道的边缘线时开始发生倾翻，若此时机器人前 跨越壕沟能力和底盘高度对5种行走机构进行分析. 端部位恰好与沟道的另一边缘相切达到极限状态. (b) (e) 图25种行走机构跨越壕沟示意图.(a)普通型：(b)角度型：(c)单摆臂型：()双摆臂型：()W型 Fig.2 Crossing the moat of five walking mechanisms:(a)normal type:(b)angle type:(c)single-arm type:(d)double-arm type:(e)W type 根据图2的几何关系分别计算出各自最大的跨越 式中， 壕沟宽度 u=mn-受- La'sin（r/2-612+02） Rs 2 arcsin -arcsin 普通型： +R1 (1) L L L=√4+L-2L4Lcos(m/2-02+0e). 角度型： 4=停+)+ (2) 值得说明的是，由于存在摆臂，单摆臂型和双摆臂 型的重心应在半径为r的圆内变化，但由于机器人 单摆臂型： 摆臂的质量要远远小于机器人本体的质量，因此同 =告+R)+ R, (3) 样较小.为了简化计算，仍以重心位于机器人机体尺 寸（不含摆臂）各方向的中点处计算. 双摆臂型： 对于5种行走机构，均是当障碍边缘线的反向延 长线通过机器人重心时，达到临界状态.绘制机器人 =√（++R)）°+ (4) 跨越障碍示意图，如图3所示 W型： 根据相关几何关系，可以得出越障高度的表达式 普通型： R =sin (-05)"sin =（台+Rm号-ma小,o) (5) 角度型：
李雨潭等: 煤矿搜救机器人履带式行走机构性能评价体系 越障能力、跨越壕沟能力、空间通过性、涉水能力、连续 爬台阶能力、底盘离地高度等． 但是并不是所有方面 均需要进行研究，如涉水能力实际上考验的是机器人 的密封性，爬坡能力、越障能力以及连续爬台阶能力本 质上均是机器人的防倾覆能力． 因此，从中选择相对 独立的，与行走机构自身密切相关的指标作为地形通 过性的体现进行分析． 故选择空间通过性、越障能力、 跨越壕沟能力和底盘高度对 5 种行走机构进行分析． 空间通过性与底盘高度这 2 个参数十分易得，直 接通过测量便可得出，因此不进行深入分析． 越障能 力和跨壕沟能力则需要根据机器人重心和履带形状进 行计算得出，基于上述基本假设分别作 5 种行走机构 跨越壕沟和跨越障碍的示意图． 其中机器人跨越壕沟 示意图如图 2 所示． 此 5 种行走机构均是当重心恰好 通过沟道的边缘线时开始发生倾翻，若此时机器人前 端部位恰好与沟道的另一边缘相切达到极限状态． 图 2 5 种行走机构跨越壕沟示意图． ( a) 普通型; ( b) 角度型; ( c) 单摆臂型; ( d) 双摆臂型; ( e) W 型 Fig． 2 Crossing the moat of five walking mechanisms: ( a) normal type; ( b) angle type; ( c) single-arm type; ( d) double-arm type; ( e) W type 根据图 2 的几何关系分别计算出各自最大的跨越 壕沟宽度． 普通型: l1 ( = L1 2 + Ｒ1 ) 2 槡 + Ｒ1， ( 1) 角度型: l2 ( = L2 2 + Ｒ2 ) 2 + H2 槡 21， ( 2) 单摆臂型: l3 ( = L31 2 + Ｒ3 ) 2 槡 + Ｒ2 3， ( 3) 双摆臂型: l4 ( = L41 2 + L42 + Ｒ4 ) 2 槡 + Ｒ2 4， ( 4) W 型: l5 = Ｒ5 sin ( π － θ51 － θ53 ) + Ｒ5 + l54 sin ( π － θ51 － θ53 ) ·sin θ52 ． ( 5) 式中， θ53 = π/2 － θ51 2 － arcsin L54·sin ( π/2 － θ51 /2 + θ52 ) L' － arcsin Ｒ5 L' ， L' = L2 54 + L2 52 － 2L54·L52·cos ( π/2 － θ51 槡 /2 + θ52 ) ． 值得说明的是，由于存在摆臂，单摆臂型和双摆臂 型的重心应在半径为 r 的圆内变化［11］，但由于机器人 摆臂的质量要远远小于机器人本体的质量，因此 r 同 样较小． 为了简化计算，仍以重心位于机器人机体尺 寸( 不含摆臂) 各方向的中点处计算． 对于 5 种行走机构，均是当障碍边缘线的反向延 长线通过机器人重心时，达到临界状态． 绘制机器人 跨越障碍示意图，如图 3 所示． 根据相关几何关系，可以得出越障高度的表达式． 普通型: h1 ( = L1 2 + Ｒ1 ·tan θ1 2 － H1 2 ·tan θ1 )·sin θ1， ( 6) 角度型: · 5191 ·
·1916 工程科学学报，第39卷，第12期 777777777 7777777777777777 777777777Y7777777777777 fe) 7777777777777777777777777 图3机器人越障示意图.(a)普通型：(b)角度型：(c)单摆臂型：(d)双摆臂型：()W型 Fig.3 Crossing the obstacle of five walking mechanisms:(a)normal type:(b)angle type:(c)single-arm type:(d)double-arm type:(e)W type -{风m受+修-总论-（停-小 双摆臂型： hi=min(La2+R4,h4(6a）m）, (14) tan Oa -Ha "tan (7) W型： h5=min(L4'sin(r/2-d2+as2),h).(15) 单摆臂型： 1.2.2防爆性难易分析 么=（告+Rm受-号m8小n风，（8） 通过上文分析，防爆难易的不同主要是电机数量 的不同.对于同种型号不同数量的电机进行防爆处理 双摆臂型： 时，只是重复性工作量的问题，因此可以认为防爆难易 点-（告+Rm受-号ma小n8+ha: 程度与驱动电机数量n呈线性关系，如式(16)所示： f(n)=n. (16) (9) 1.2.3操控性分析 W型： hs =Ls'sina. (10) 与防爆性分析相同，操控性的影响因素也与驱动 式中，角a满足sm2-2+a-飞。 电机的数量相关，但电机数量对于操控性的影响并不 Ls2'sin a-Rs 成线性关系.设有n个驱动电机，操作人员对每个电 tan (0s /2-a). 机均需单独进行操控或者同时操控几个电机，因此认 与计算最大跨越壕沟宽度不同的是，通过式(6)~ 为驱动电机数量对操控性的影响如式(17)所示： (10)计算出来的最大越障高度可能是伪值，行走机构的 g(n)=C+C2+…+C2=2"-1.(17) 自身条件限制了其最大可能跨越障碍物高度，如对于普 可以看出，驱动电机数量对操控性的影响呈指数 通型行走机构，其最大越障高度不大于其轮子半径R, 关系 因此，进一步得到各行走机构的最大越障高度. 1.2.4可靠性分析 普通型：h=min(R,h,(8,）m）, (11) 影响可靠性这个指标的因素有驱动电机的数量和履 角度型：h=min(H2,h2(62i）a）, (12) 带接地比压两个因素.对于驱动电机，其数量越多，发生 单摆臂型： 损坏的几率就越大，系统的可靠性就越低其对可靠性的 h=min(L2+R,h3(a）na）, (13) 影响与操控性相同，呈指数关系，如式(18)所示：
工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 图 3 机器人越障示意图． ( a) 普通型; ( b) 角度型; ( c) 单摆臂型; ( d) 双摆臂型; ( e) W 型 Fig． 3 Crossing the obstacle of five walking mechanisms: ( a) normal type; ( b) angle type; ( c) single-arm type; ( d) double-arm type; ( e) W type h2 = { Ｒ2 ·tan θ21 2 [ + L2 2 － H21 － Ｒ2 tan θ22 ( － H2 2 － H21 )· tan θ21 － H21·tan θ21 ] }·sin θ21， ( 7) 单摆臂型: h3 ( = L31 2 + Ｒ3 ·tan θ3 2 － H3 2 ·tan θ3 )·sin θ3， ( 8) 双摆臂型: h4 ( = L41 2 + Ｒ4 ·tan θ4 2 － H4 2 ·tan θ4 )·sin θ3 + L41， ( 9) W 型: h5 = L52·sinα． ( 10) 式 中，角 α 满 足 L53·cos ( π/2 － θ51 /2 + α) － Ｒ5 L52·sin α － Ｒ5 = tan ( θ51 /2 － α) ． 与计算最大跨越壕沟宽度不同的是，通过式( 6) ～ ( 10) 计算出来的最大越障高度可能是伪值，行走机构的 自身条件限制了其最大可能跨越障碍物高度，如对于普 通型行走机构，其最大越障高度不大于其轮子半径 Ｒ1 ． 因此，进一步得到各行走机构的最大越障高度． 普通型: h'1 = min( Ｒ1，h1 ( θ1 ) max ) ， ( 11) 角度型: h'2 = min( H21 h2 ( θ21 ) max ) ， ( 12) 单摆臂型: h'3 = min( L32 + Ｒ3，h3 ( θ3 ) max ) ， ( 13) 双摆臂型: h'4 = min( L42 + Ｒ4，h4 ( θ4 ) max ) ， ( 14) W 型: h'5 = min( L54·sin ( π/2 － θ52 + θ51 /2) ，h5 ) ． ( 15) 1. 2. 2 防爆性难易分析 通过上文分析，防爆难易的不同主要是电机数量 的不同． 对于同种型号不同数量的电机进行防爆处理 时，只是重复性工作量的问题，因此可以认为防爆难易 程度与驱动电机数量 n 呈线性关系，如式( 16) 所示: f( n) = n． ( 16) 1. 2. 3 操控性分析 与防爆性分析相同，操控性的影响因素也与驱动 电机的数量相关，但电机数量对于操控性的影响并不 成线性关系． 设有 n 个驱动电机，操作人员对每个电 机均需单独进行操控或者同时操控几个电机，因此认 为驱动电机数量对操控性的影响如式( 17) 所示: g( n) = C1 n + C2 n + … + C2 n = 2n － 1． ( 17) 可以看出，驱动电机数量对操控性的影响呈指数 关系． 1. 2. 4 可靠性分析 影响可靠性这个指标的因素有驱动电机的数量和履 带接地比压两个因素． 对于驱动电机，其数量越多，发生 损坏的几率就越大，系统的可靠性就越低． 其对可靠性的 影响与操控性相同，呈指数关系，如式( 18) 所示: · 6191 ·
李雨潭等：煤矿搜救机器人履带式行走机构性能评价体系 ·1917· h(n)=2-1. (18) 根据式(16)~(18)可以得到电机对于防爆、操控 对于履带接地比压，由于已经假设5种机器人的 以及可靠性的影响，如表3所示 质量相同，因此，影响接地比压的只有履带参数，而5 表3电机数量对防爆、操控以及可靠性的程度影响 种行走机构的履带宽度相同，只需考虑履带接地长度 Table 3 Influence of the motor numbers on explosion-proof,handling 即可. and reliability 1.35种履带式行走机构性能定量分析 行走机构 电机数量 防爆难易 操控性可靠性 虽然已经从理论上给出了不同行走机构的各项性 普通型 3 3 能指标，但并不直观，因此对其进行赋值运算.令5种 角度型 2 3 行走机构空间通过性中的长度与宽度相同，在此条件 单摆臂型 1 15 下比较其余性能.根据《矿用救灾探测机器人通用技 双摆臂型 6 6 63 63 术条件（草案）》的有关机器人通过性的要求一能够 W型 2 3 通过长度×宽度×高度为2000mm×800mm×600mm 的狭窄通道，以及以往所研制机器人样机的尺寸，对变 量做如下赋值，如表1所示 2 行走机构性能评价 表1变量赋值结果 2.1评价方法确定 Table 1 Variable assignment results 在对不同行走机构进行评价时，应尽可能的保证 变量名及关系式 变量值/mm 评价结果的客观性与科学性.虽然在对行走机构的性 L1=L1=41 1200° 能进行分析时，已经筛选出了相对独立的能代表行走 L2=L1 1320° 机构某一特性的因素，但实际上不同因素之间还是相 W1=W2=W3=W4=W 800 互影响的，如空间通过性必然影响越障性能.因此综 R1=2R2=R3=R4=2R5 120 合分析专家评价打分法、层次分析法、网络分析法、模 Bu 360 糊综合评价法、逼近于理想解法、秩和比法、灰色综合 H=H=H 480° 评价法和人工神经网络评价方法的优缺点，拟采用网 H21=H51 240 络分析法(ANP)对履带式行走机构进行性能评 H2=+Hi 600* 价s-国 45° 2.2基于ANP方法的行走机构性能评价 La2 =Li 1200 根据网络分析法的相关步骤，建立网络模型，如图 L42={【L1-2R4)2]2+f}2 768 4所示. 651 120° 基于图4所示的网络结构模型，邀请中国矿业大 g 480° 学煤矿机器人领域的10位专家与相关专业的研究生 538.6 采用九级标度法进行打分，可以得到各个因素在单一 2 87o* 准则下的相对权重，并对每一个判断矩阵进行一致性 注：*根据其余变量数值计算得出 检验.如关于行走方案A的两两比较，如表4所示. 根据表1中的数据，可以求得5种行走机构的行 表4关于行走方案A的两两比较矩阵 走能力以及接地长度.如表2所示. Table 4 Pairwise comparison matrix about walking scheme A 方案A W E H R 权重 表25种行走机构行走能力及接地长度 Table 2 Walking ability and ground length of the five walking mecha- W 1 1/5 3 0.23 nisms mm E 5 9 0.63 空间通过性 最大越最大跨壕底盘接地 H 1/3 1/7 1 0.10 行走机构 长宽高 障能力沟能力高度 长度 R 17 119 1/3 1 0.04 普通型1440800480 120 729 120 2400 对表4的数据进行最大特征根以及一致性检验. 角度型1440 800600 166 758 240 1680 经过对判断矩阵运算，求得其最大特征根为 单摆臂型1440800 480 290 729 120 2400 入mx=4.206. 双摆臂型1440800 480 888 1493 888 2400 W型1440800600239776240 →0 C.1=1-”_4206-4=0.069, (19) n-1 4-1
李雨潭等: 煤矿搜救机器人履带式行走机构性能评价体系 h( n) = 2n － 1． ( 18) 对于履带接地比压，由于已经假设 5 种机器人的 质量相同，因此，影响接地比压的只有履带参数，而 5 种行走机构的履带宽度相同，只需考虑履带接地长度 即可． 1. 3 5 种履带式行走机构性能定量分析 虽然已经从理论上给出了不同行走机构的各项性 能指标，但并不直观，因此对其进行赋值运算． 令 5 种 行走机构空间通过性中的长度与宽度相同，在此条件 下比较其余性能． 根据《矿用救灾探测机器人通用技 术条件( 草案) 》的有关机器人通过性的要求———能够 通过长度 × 宽度 × 高度为 2000 mm × 800 mm × 600 mm 的狭窄通道，以及以往所研制机器人样机的尺寸，对变 量做如下赋值，如表 1 所示． 表 1 变量赋值结果 Table 1 Variable assignment results 变量名及关系式 变量值/mm L1 = L31 = L* 41 1200* L2 = L* 51 1320* W1 = W2 = W3 = W4 = W5 800 Ｒ1 = 2Ｒ2 = Ｒ3 = Ｒ4 = 2Ｒ5 120 H11 360 H1 = H3 = H* 4 480* H21 = H51 240 H2 = H21 + H* 11 600* θ22 45° L32 = L* 31 1200* L42 = { ［( L41 － 2Ｒ4 ) /2］2 + H2 4 } 1 /2* 768* θ51 120° L* 53 480* L* 54 538. 6* θ* 52 87° * 注: * 根据其余变量数值计算得出． 根据表 1 中的数据，可以求得 5 种行走机构的行 走能力以及接地长度． 如表 2 所示． 表 2 5 种行走机构行走能力及接地长度 Table 2 Walking ability and ground length of the five walking mechanisms mm 行走机构 空间通过性 长 宽 高 最大越 障能力 最大跨壕 沟能力 底盘 高度 接地 长度 普通型 1440 800 480 120 729 120 2400 角度型 1440 800 600 166 758 240 1680 单摆臂型 1440 800 480 290 729 120 2400 双摆臂型 1440 800 480 888 1493 888 2400 W 型 1440 800 600 239 776 240 →0 根据式( 16) ～ ( 18) 可以得到电机对于防爆、操控 以及可靠性的影响，如表 3 所示． 表 3 电机数量对防爆、操控以及可靠性的程度影响 Table 3 Influence of the motor numbers on explosion-proof，handling and reliability 行走机构 电机数量 防爆难易 操控性 可靠性 普通型 2 2 3 3 角度型 2 2 3 3 单摆臂型 4 4 15 15 双摆臂型 6 6 63 63 W 型 2 2 3 3 2 行走机构性能评价 2. 1 评价方法确定 在对不同行走机构进行评价时，应尽可能的保证 评价结果的客观性与科学性． 虽然在对行走机构的性 能进行分析时，已经筛选出了相对独立的能代表行走 机构某一特性的因素，但实际上不同因素之间还是相 互影响的，如空间通过性必然影响越障性能． 因此综 合分析专家评价打分法、层次分析法、网络分析法、模 糊综合评价法、逼近于理想解法、秩和比法、灰色综合 评价法和人工神经网络评价方法的优缺点，拟采用网 络分 析 法 ( ANP) 对 履 带 式 行 走 机 构 进 行 性 能 评 价［15--18］． 2. 2 基于 ANP 方法的行走机构性能评价 根据网络分析法的相关步骤，建立网络模型，如图 4 所示． 基于图 4 所示的网络结构模型，邀请中国矿业大 学煤矿机器人领域的 10 位专家与相关专业的研究生 采用九级标度法进行打分，可以得到各个因素在单一 准则下的相对权重，并对每一个判断矩阵进行一致性 检验． 如关于行走方案 A 的两两比较，如表 4 所示． 表 4 关于行走方案 A 的两两比较矩阵 Table 4 Pairwise comparison matrix about walking scheme A 方案 A W E H Ｒ 权重 W 1 1 /5 3 7 0. 23 E 5 1 7 9 0. 63 H 1 /3 1 /7 1 3 0. 10 Ｒ 1 /7 1 /9 1 /3 1 0. 04 对表 4 的数据进行最大特征根以及一致性检验． 经 过 对 判 断 矩 阵 运 算，求 得 其 最 大 特 征 根 为 λmax = 4. 206． C． I． = λmax － n n － 1 = 4. 206 － 4 4 － 1 = 0. 069， ( 19) · 7191 ·