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 ·
·1918· 工程科学学报，第39卷，第12期 最优的行走机构 目标层 防爆难易 E 网铬层 行走能力 行走方案 可操控性 A H AB 表示A影响B 可靠性 c R 表示C元素集内元素 相互影响或不独立 防爆 可操控 行走方案A 难易E 性H 可靠性R 行走能力W 普通型N 角度型2 单摆臂型3 双摆臂型4 W 跨 带接 低盘高低 AS 电机数量 机数量 机数量 空间通过性 越障能力 HI WI 图4 ANP网络结构模型 Fig.4 ANP network structure model C.R.00 表5行走性能W1在方案A中的两两比较 =0.078<0.1. (20) Table 5 Pairwise comparison matrix of subelements in scheme A about walking ability WI 式中，C.I.为一致性指标，R.I.为平均一致性指标（可 行走W1A1 A2 A3 A4 A5权重 根据n值通过查表得出)，C.R.为一致性比例（通常认 为其值应小于0.1). Al 1 1.25 1 11.250.22 A2 0.8 0.8 0.8 1 因此，认为行走方案A的判断矩阵的一致性是可 0.17 A3 1 1.25 1 以接受的 11.25 0.22 以此类推，分别得到各个因素相对于某一准则下 A4 1 1.25 11.250.22 的权重值.但是，在求各因素在方案A中的权重时，由 A5 0.8 1 0.80.8 1 0.17 于已经从理论上计算出来了各个方案的各项性能参 极限超矩阵，可以选择依据ANP的相关公式进行手动 数，因此不再进行专家打分，评价等级也不限于1~9， 计算，也可以依靠ANP的软件SuperDecisions进行计 而是直接依据赋值后性能计算结果进行评价.对于指 算.本文采用软件进行计算.得到整个系统的加权超 标值越大越好的因素，取大指标与小指标的商作为重 矩阵如表7所示.得到极限超矩阵，如表8所示.最 要性标度，对于指标值越小越好的因素，取大指标与小 终，根据极限超矩阵得到排序结果，如表9所示. 指标的商的倒数作为重要性标度.其中，对于机器人 2.3评价结果分析 的空间通过性、电机数量这两个指标，其指标值越小越 通过采用网络评价方法，得出了角度型行走机构 好：对于最大越障能力、最大跨越壕沟能力、底盘高度 最适宜煤矿救援机器人.在对不同行走机构的性能进 和履带接地长度这4个指标，其指标值越大越好.如 行理论计算时发现，角度型行走机构的各项性能均处 行走性能W1在方案A中的两两比较，如表5所示. 在5种行走机构的中间水平.而摆臂型行走机构尤其 同样，以此类推，可以得到不同因素在方案A中 是双摆臂型行走机构的行走能力最为优越，但其防爆 权重.由于直接采用了性能指标做商评价法，因此必 难易、操控性以及可靠性均处于劣势.通过专家打分 定符合一致性检验 可以看出，对于煤矿搜救机器人更加注重防爆难易，这 经过上述计算，可以得到整个系统的未加权超矩 也是双摆臂型行走机构以及单摆臂型行走机构最终权 阵，如表6所示. 重相对较低的原因.对于煤矿搜救机器人的设计，由 得到未加权超矩阵后，应继续计算加权超矩阵与 于其特殊的使用环境及要求，当前的设计思路是使之
工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 图 4 ANP 网络结构模型 Fig． 4 ANP network structure model C． Ｒ． = C． I． Ｒ． I． = 0. 069 0. 89 = 0. 078 ＜ 0. 1． ( 20) 式中，C． I． 为一致性指标，Ｒ． I． 为平均一致性指标( 可 根据 n 值通过查表得出) ，C． Ｒ． 为一致性比例( 通常认 为其值应小于 0. 1) ． 因此，认为行走方案 A 的判断矩阵的一致性是可 以接受的． 以此类推，分别得到各个因素相对于某一准则下 的权重值． 但是，在求各因素在方案 A 中的权重时，由 于已经从理论上计算出来了各个方案的各项性能参 数，因此不再进行专家打分，评价等级也不限于 1 ～ 9， 而是直接依据赋值后性能计算结果进行评价． 对于指 标值越大越好的因素，取大指标与小指标的商作为重 要性标度，对于指标值越小越好的因素，取大指标与小 指标的商的倒数作为重要性标度． 其中，对于机器人 的空间通过性、电机数量这两个指标，其指标值越小越 好; 对于最大越障能力、最大跨越壕沟能力、底盘高度 和履带接地长度这 4 个指标，其指标值越大越好． 如 行走性能 W1 在方案 A 中的两两比较，如表 5 所示． 同样，以此类推，可以得到不同因素在方案 A 中 权重． 由于直接采用了性能指标做商评价法，因此必 定符合一致性检验． 经过上述计算，可以得到整个系统的未加权超矩 阵，如表 6 所示． 得 到未加权超矩阵后，应继续计算加权超矩阵与 表 5 行走性能 W1 在方案 A 中的两两比较 Table 5 Pairwise comparison matrix of subelements in scheme A about walking ability W1 行走 W1 A1 A2 A3 A4 A5 权重 A1 1 1. 25 1 1 1. 25 0. 22 A2 0. 8 1 0. 8 0. 8 1 0. 17 A3 1 1. 25 1 1 1. 25 0. 22 A4 1 1. 25 1 1 1. 25 0. 22 A5 0. 8 1 0. 8 0. 8 1 0. 17 极限超矩阵，可以选择依据 ANP 的相关公式进行手动 计算，也可以依靠 ANP 的软件 SuperDecisions 进行计 算． 本文采用软件进行计算． 得到整个系统的加权超 矩阵如表 7 所示． 得到极限超矩阵，如表 8 所示． 最 终，根据极限超矩阵得到排序结果，如表 9 所示． 2. 3 评价结果分析 通过采用网络评价方法，得出了角度型行走机构 最适宜煤矿救援机器人． 在对不同行走机构的性能进 行理论计算时发现，角度型行走机构的各项性能均处 在 5 种行走机构的中间水平． 而摆臂型行走机构尤其 是双摆臂型行走机构的行走能力最为优越，但其防爆 难易、操控性以及可靠性均处于劣势． 通过专家打分 可以看出，对于煤矿搜救机器人更加注重防爆难易，这 也是双摆臂型行走机构以及单摆臂型行走机构最终权 重相对较低的原因． 对于煤矿搜救机器人的设计，由 于其特殊的使用环境及要求，当前的设计思路是使之 · 8191 ·
李雨潭等：煤矿搜救机器人履带式行走机构性能评价体系 ·1919· 表6未加权超矩阵 Table 6 Unweighted supermatrix 元素A1 A2 A3 A4 A5 WI W2 W3 W4 El HI RI R2 Al 0 0 0 0 0 0.22 0.07 0.16 0.10 0.28 0.31 0.34 0.25 0 0 0 0 0 0.17 0.10 0.17 0.18 0.28 0.31 0.34 0.18 3 0 0 0 0 0 0.22 0.17 0.16 0.24 0.14 0.06 0.07 0.25 AA 0 0 0 0 0 0.22 0.52 0.32 0.24 0.10 0.02 0.02 0.25 A5 0 0 0 0 0 0.170.14 0.20 0.24 0.21 0.31 0.22 0.06 WI 0.44 0.19 0.19 0.06 0.06 0 0.33 0.33 0.33 0 0 0 0 W2 0.19 0.31 0.31 0.44 0.44 0.33 0 0.33 0.33 0 0 0 0 W3 0.31 0.06 0.06 0.19 0.19 0.33 0.33 0 0.33 0 0 0 0 W4 0.06 0.44 0.44 0.31 0.31 0.33 0.33 0.33 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 RI 0.83 0.83 0.83 0.83 0.75 0 0 0 0 0 0 R2 0.17 0.17 0.17 0.17 0.25 0 0 0 0 0 0 0 0 表7加权超矩阵 Table 7 Weighted supermatrix 元素 A2 A3 A4 A5 WI W2 W3 W4 RI R2 Al 0 0 0 0 0 0.170.05 0.12 0.07 0.17 0.03 0.050.25 A2 0 0 0 0 0 0.13 0.08 0.13 0.14 0.17 0.03 0.04 0.18 名 0 0 0 0 0.17 0.13 0.12 0.18 0.08 0.01 0.01 0.25 A4 0 0 0 0 0.17 0.40 0.24 0.18 0.06 0.01 0.01 0.25 A5 0 0 0 0.13 0.11 0.15 0.18 0.13 0.03 0.03 0.06 W10.09 0.04 0.04 0.01 0.01 0 0.08 0.08 0.08 0 0 0 0 W2 0.04 0.07 0.07 0.10 0.10 0.08 0 0.08 0.08 0 0 0 0 W3 0.07 0.01 0.01 0.04 0.04 0.08 0.08 0 0.08 0 0 0 0 W4 0.01 0.10 0.09 0.07 0.07 0.08 0.08 0.08 0 0 0 0 0 EI 0.65 0.65 0.65 0.65 0.65 0 0 0 0 0.45 0.43 0 H1 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0 0 0 0 0.2 0 0.430 RI 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0 0 0 0 0.2 0.45 0 0 R2 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0 0 0 0 0 0 0 0 表8极限超矩阵 Table 8 Limit supermatrix 元素A1 A2 A3 A4 A5 WI W2 W3 W4 El H1 RI R2 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 A2 0.07 0.07 0.07 0.07 0.070.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 43 0.04 0.04 0.04 0.04 0.040.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 A4 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 A5 0.06 0.06 0.06 0.06 0.060.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 W2 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 W3 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 W4 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.32 0.32 0.32 0.32 0.320.32 0.320.32 0.32 0.32 0.32 0.32 0.32 HI 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 RI 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 R2 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01
李雨潭等: 煤矿搜救机器人履带式行走机构性能评价体系 表 6 未加权超矩阵 Table 6 Unweighted supermatrix 元素 A1 A2 A3 A4 A5 W1 W2 W3 W4 E1 H1 Ｒ1 Ｒ2 A1 0 0 0 0 0 0. 22 0. 07 0. 16 0. 10 0. 28 0. 31 0. 34 0. 25 A2 0 0 0 0 0 0. 17 0. 10 0. 17 0. 18 0. 28 0. 31 0. 34 0. 18 A3 0 0 0 0 0 0. 22 0. 17 0. 16 0. 24 0. 14 0. 06 0. 07 0. 25 A4 0 0 0 0 0 0. 22 0. 52 0. 32 0. 24 0. 10 0. 02 0. 02 0. 25 A5 0 0 0 0 0 0. 17 0. 14 0. 20 0. 24 0. 21 0. 31 0. 22 0. 06 W1 0. 44 0. 19 0. 19 0. 06 0. 06 0 0. 33 0. 33 0. 33 0 0 0 0 W2 0. 19 0. 31 0. 31 0. 44 0. 44 0. 33 0 0. 33 0. 33 0 0 0 0 W3 0. 31 0. 06 0. 06 0. 19 0. 19 0. 33 0. 33 0 0. 33 0 0 0 0 W4 0. 06 0. 44 0. 44 0. 31 0. 31 0. 33 0. 33 0. 33 0 0 0 0 0 E1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 H1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 Ｒ1 0. 83 0. 83 0. 83 0. 83 0. 75 0 0 0 0 1 1 0 0 Ｒ2 0. 17 0. 17 0. 17 0. 17 0. 25 0 0 0 0 0 0 0 0 表 7 加权超矩阵 Table 7 Weighted supermatrix 元素 A1 A2 A3 A4 A5 W1 W2 W3 W4 E1 H1 Ｒ1 Ｒ2 A1 0 0 0 0 0 0. 17 0. 05 0. 12 0. 07 0. 17 0. 03 0. 05 0. 25 A2 0 0 0 0 0 0. 13 0. 08 0. 13 0. 14 0. 17 0. 03 0. 04 0. 18 A3 0 0 0 0 0 0. 17 0. 13 0. 12 0. 18 0. 08 0. 01 0. 01 0. 25 A4 0 0 0 0 0 0. 17 0. 40 0. 24 0. 18 0. 06 0. 01 0. 01 0. 25 A5 0 0 0 0 0 0. 13 0. 11 0. 15 0. 18 0. 13 0. 03 0. 03 0. 06 W1 0. 09 0. 04 0. 04 0. 01 0. 01 0 0. 08 0. 08 0. 08 0 0 0 0 W2 0. 04 0. 07 0. 07 0. 10 0. 10 0. 08 0 0. 08 0. 08 0 0 0 0 W3 0. 07 0. 01 0. 01 0. 04 0. 04 0. 08 0. 08 0 0. 08 0 0 0 0 W4 0. 01 0. 10 0. 09 0. 07 0. 07 0. 08 0. 08 0. 08 0 0 0 0 0 E1 0. 65 0. 65 0. 65 0. 65 0. 65 0 0 0 0 0 0. 45 0. 43 0 H1 0. 09 0. 09 0. 09 0. 09 0. 09 0 0 0 0 0. 2 0 0. 43 0 Ｒ1 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0 0 0 0 0. 2 0. 45 0 0 Ｒ2 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0 0 0 0 0 0 0 0 表 8 极限超矩阵 Table 8 Limit supermatrix 元素 A1 A2 A3 A4 A5 W1 W2 W3 W4 E1 H1 Ｒ1 Ｒ2 A1 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 A2 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 0. 07 A3 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 A4 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 0. 04 A5 0. 06 0. 06 0. 06 0. 06 0. 06 0. 06 0. 06 0. 06 0. 06 0. 06 0. 06 0. 06 0. 06 W1 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 W2 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 0. 03 W3 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 W4 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 0. 02 E1 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 0. 32 H1 0. 15 0. 15 0. 15 0. 15 0. 15 0. 15 0. 15 0. 15 0. 15 0. 15 0. 15 0. 15 0. 15 Ｒ1 0. 14 0. 14 0. 14 0. 14 0. 14 0. 14 0. 14 0. 14 0. 14 0. 14 0. 14 0. 14 0. 14 Ｒ2 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 0. 01 · 9191 ·
·1920. 工程科学学报，第39卷，第12期 表9行走机构最终权重及优选方案 处，和内部电气元件的布置有一定的关系，但由于机器 Table 9 Final weight of the walking mechanisms and the preferred 人的主体结构对称，按照所做的假设进行计算是合理 scheme 的.还比如，在分析双摆臂行走机构跨越壕沟时，当前 行走机构 权重 排序 后摆臂与机器人机体平行时达到最大的壕沟宽度，此 普通型 0.250 3 时对摆臂电机的扭矩要求很大，能否满足此力学条件 角度型 0.255 1 还需实际选型计算.因此，在理想状况下计算出的双 单摆臂型 0.143 摆臂型行走机构的行走能力要优于或等于实际情况. 双摆臂型 0.140 但是，从理论计算角度，需要找到每种行走机构的最优 W型 0.211 行走能力进行比较，因此只考虑行走机构的运动学进 首先满足煤矿安标要求，能够被允许进入井下进行实 行分析计算也是合理的.因此，可以得出结论，整个评 际应用，而不是过多的追求优越的越障性能.因此，评 价过程是合理可信的 价结果与当前的设计思路是相符的. 2.4评价结果应用 对于整个评价过程，结论的得出是基于某些假设 针对所得到的优选结果，在角度型行走机构基础 的，如假设“重心位于各方向最大尺寸的中点处”，这 上进行了进一步的优化，在支撑轮上增加了弹簧减震 是为了便于对机器人的越障性能以及跨越壕沟性能进 系统，组成了行走机构的悬挂系统，并基于此设计了 行定量分析以及行走机构相互间的比较.实际上，机 CUMT-V型煤矿搜救机器人行走机构.图5所示为 器人的重心并不是绝对位于各方向最大尺寸的中点 CUMT-V型煤矿搜救机器人以及行走机构越障示意图. 77777777777777777777 77777777777777777777 (a) b 图5CUMT-V型煤矿搜救机器人以及行走机构越障示意图.(a)样机：(b)越障图 Fig.5 CUMT-V coal mine rescue robot and an obstacle diagram showing the walking mechanism:(a)prototype:(b)obstacle diagram 此种履带行走机构继承了角度型行走机构与W (3)优化了角度型行走机构，并将之应用在 型行走机构的双重优点，在机器人正常行驶时，机器人 CUMT一V型履带式煤矿救援机器人的设计之中 下部的履带均与地面接触，接地比压小，而当机器人跨 (4)由于煤矿是一个封闭空间，且灾后地形条件 越障碍时，因为避震弹簧的作用，障碍物上方支撑轮的 极差、通讯困难，同时存在甲烷等爆炸性气体，因此从 弹簧被压缩，此时履带形成了W型，有利于机器人重 各方面考虑，履带式行走机构更加适用于煤矿井下，这 心前倾，顺利跨越障碍.同时，避震系统的增加还可减 也是本文对现有不同履带式行走机构进行评价的原 少震动对机器人电子器件的冲击，起到保护作用. 因.但是，由于防爆、电池等现有技术条件的限制，履 3结论 带行走机构通常会设计的十分笨重，这就导致机器人 体积较大、续航较短，无法通过一些狭小的空间，也无 (1)对5种常见的煤矿搜救机器人履带式行走机 法长时间工作.若未来突破现有防爆技术手段、电池 构性进行对比分析，提出了行走能力、防爆难易、操控 瓶颈，履带式行走机构乃至整个机器人的小型化、便携 性以及可靠性四个评价指标，并建立了求解5种行走 化将是其发展趋势.届时，煤矿搜救机器人将得到更 机构四个指标各项性能参数的数学模型，进行了赋值 大的发展 运算. (2)基于ANP评价方法建立了煤矿搜救机器人履 参考文献 带式行走机构性能评价体系，依据所得到的行走机构 [Klarer P R.Recent developments in the robotic all terrain lunar 各项性能值以及专家打分结果，对行走机构性能进行 exploration rover (RATLER)program//Robotics for Challenging 评价，得出角度型行走机构最适宜煤矿搜救机器人的 Enrironments.Reston:ASCE,1993:202 结论. 2]Morris A,Ferguson D,Omohundro Z,et al.Recent developments
工程科学学报，第 39 卷，第 12 期 表 9 行走机构最终权重及优选方案 Table 9 Final weight of the walking mechanisms and the preferred scheme 行走机构 权重 排序 普通型 0. 250 2 角度型 0. 255 1 单摆臂型 0. 143 4 双摆臂型 0. 140 5 W 型 0. 211 3 首先满足煤矿安标要求，能够被允许进入井下进行实 际应用，而不是过多的追求优越的越障性能． 因此，评 价结果与当前的设计思路是相符的． 对于整个评价过程，结论的得出是基于某些假设 的，如假设“重心位于各方向最大尺寸的中点处”，这 是为了便于对机器人的越障性能以及跨越壕沟性能进 行定量分析以及行走机构相互间的比较． 实际上，机 器人的重心并不是绝对位于各方向最大尺寸的中点 处，和内部电气元件的布置有一定的关系，但由于机器 人的主体结构对称，按照所做的假设进行计算是合理 的． 还比如，在分析双摆臂行走机构跨越壕沟时，当前 后摆臂与机器人机体平行时达到最大的壕沟宽度，此 时对摆臂电机的扭矩要求很大，能否满足此力学条件 还需实际选型计算． 因此，在理想状况下计算出的双 摆臂型行走机构的行走能力要优于或等于实际情况． 但是，从理论计算角度，需要找到每种行走机构的最优 行走能力进行比较，因此只考虑行走机构的运动学进 行分析计算也是合理的． 因此，可以得出结论，整个评 价过程是合理可信的． 2. 4 评价结果应用 针对所得到的优选结果，在角度型行走机构基础 上进行了进一步的优化，在支撑轮上增加了弹簧减震 系统，组成了行走机构的悬挂系统，并基于此设计了 CUMT--V 型煤矿搜救机器人行走机构． 图 5 所示为 CUMT--V 型煤矿搜救机器人以及行走机构越障示意图． 图 5 CUMT--V 型煤矿搜救机器人以及行走机构越障示意图． ( a) 样机; ( b) 越障图 Fig． 5 CUMT--V coal mine rescue robot and an obstacle diagram showing the walking mechanism: ( a) prototype; ( b) obstacle diagram 此种履带行走机构继承了角度型行走机构与 W 型行走机构的双重优点，在机器人正常行驶时，机器人 下部的履带均与地面接触，接地比压小，而当机器人跨 越障碍时，因为避震弹簧的作用，障碍物上方支撑轮的 弹簧被压缩，此时履带形成了 W 型，有利于机器人重 心前倾，顺利跨越障碍． 同时，避震系统的增加还可减 少震动对机器人电子器件的冲击，起到保护作用． 3 结论 ( 1) 对 5 种常见的煤矿搜救机器人履带式行走机 构性进行对比分析，提出了行走能力、防爆难易、操控 性以及可靠性四个评价指标，并建立了求解 5 种行走 机构四个指标各项性能参数的数学模型，进行了赋值 运算． ( 2) 基于 ANP 评价方法建立了煤矿搜救机器人履 带式行走机构性能评价体系，依据所得到的行走机构 各项性能值以及专家打分结果，对行走机构性能进行 评价，得出角度型行走机构最适宜煤矿搜救机器人的 结论． ( 3 ) 优 化 了 角 度 型 行 走 机 构，并 将 之 应 用 在 CUMT--V 型履带式煤矿救援机器人的设计之中． ( 4) 由于煤矿是一个封闭空间，且灾后地形条件 极差、通讯困难，同时存在甲烷等爆炸性气体，因此从 各方面考虑，履带式行走机构更加适用于煤矿井下，这 也是本文对现有不同履带式行走机构进行评价的原 因． 但是，由于防爆、电池等现有技术条件的限制，履 带行走机构通常会设计的十分笨重，这就导致机器人 体积较大、续航较短，无法通过一些狭小的空间，也无 法长时间工作． 若未来突破现有防爆技术手段、电池 瓶颈，履带式行走机构乃至整个机器人的小型化、便携 化将是其发展趋势． 届时，煤矿搜救机器人将得到更 大的发展． 参 考 文 献 ［1］ Klarer P Ｒ． Ｒecent developments in the robotic all terrain lunar exploration rover ( ＲATLEＲ) program / / Ｒobotics for Challenging Environments． Ｒeston: ASCE，1993: 202 ［2］ Morris A，Ferguson D，Omohundro Z，et al． Ｒecent developments · 0291 ·
李雨潭等：煤矿搜救机器人履带式行走机构性能评价体系 ·1921· in subterranean robotics.J Field Robot,2006,23(1):35 ling mechanism of coal mine rescue robot.Ind Mine Autom, B]Baker C.Morris A,Ferguson D,et al.A campaign in autono- 2015,41(6):21 mous mine mapping /Proceedings.ICRA()4.IEEE International (孙国栋，李雨潭，朱华.一种新型煤矿救援机器人履带行 Conference on Robotics Automation Piscataway.New Orleans, 走机构设计.工矿自动化，2015,41(6)：21) 2004:2004 03] Chen H L,Guo P.Design and analysis of structure of coal mine 4]Murphy RR,Kravitz J,Stover S L,et al.Mobile robots in mine rescue robots.Ind Mine Autom,2014,40(3):106 rescue and recovery.IEEE Robot Autom Mag,2009,16(2):91 (陈海龙，郭鹏.煤矿救援机器人结构设计及分析.工矿自 Toor A.Gemini-cout robot can scope out mining accidents,may 动化，2014,40(3)：106) save lives D/OL].Engadget (2011-8-22)2017-2-20].ht- [14]Wang Z M,Zhang L,Hu B,et al.Structural design and simula- tp://www.engadget.com/2011/08/22/gemini-cout-robot-can- tion analysis of a six-wheel mine rescue robot.Min Mach,2013, scope-out-mining-accidents-may-save-ive/ 41(10):117 [6]Ralston JC.Hainsworth D W,Reid D C,et al.Recent advances (王忠民，张朗，胡滨，等.一种六轮矿难救援机器人的结构 in remote coal mining machine sensing,guidance,and teleopera- 设计与仿真分析.矿山机械，2013,41(10)：117) tion.Robotica,2001,19(5):513 [15]Wang Y,Ji C P.AHP based research on comprehensive perform- Li Y W,Ge S R,Zhu H,et al.Obstacle-urmounting mechanism ance evaluation system of coal mine rescue robot.Coal Mine and capability of four-track robot with two swing arms.Robot, Mach,2011,32(6):53 2010,32(2):157 (王媛，姬程鹏.基于AHP法的煤矿救灾机器人综合性能评 (李允旺，葛世荣，朱华，等.四履带双摆臂机器人越障机理 价体系研究.煤矿机械，2011,32(6)：53) 及越障能力.机器人，2010,32(2)：157) [16]Zhao J,Yang C,Hu W J.Performance evaluation for search ro- [8]Li Y W,Ge S R,Zhu H,et al.Mobile platform of a rocker-type bots with wheel-track based on AHP-fuzzy comprehensive evalua- W-shaped track robot.Key Eng Mater,2010,419-420:609 tion and development of evaluation software.Beijing Univ Tech- 9]Li Y T,Zhu H,Gao Z J,et al.Design and simulation of hydrau- nol,2016,42(6):801 lic system for coal mine rescue robot.Chin Hydrau Pneumatics, (赵京，杨聪，胡卫建.基于AHP一模糊综合评价法的轮履复 2013(8):24 合型搜索机器人性能评价及其软件开发.北京工业大学学 (李雨潭，朱华，高志军，等.煤矿救援机器人液压系统设计 报，2016,42(6)：801) 与仿真.液压与气动，2013(8)：24) [17]Shang J N.Research on Optimal Allocation and Performance [10]Wang W D,Dong W,Su Y Y,et al.Development of search- Evaluation of Earthquake Rescue Equipment [Dissertation] and-rescue robots for underground coal mine applications.Field Beijing:Beijing University of Technology,2014 Robot,2014,31(3):386 (尚佳宁.地震救援装备最优配置方法及性能评价体系的 [11]Li Y W.Study on Mobile Mechanisms for Rescue Robots in Under- 研究[学位论文].北京：北京工业大学，2014) ground Coal Mine [Dissertation].Xuzhou:China University of 18] Sun H C,Xu G Y,Tian P.Design alternatives evaluation of Mining and Technology,2010 emergency bridge by applying analytic network process (ANP). (李允旺.矿井救灾机器人行走机构研究[学位论文].徐 System Eng Theor Prac,2007,27(3):63 州：中国矿业大学，2010) (孙宏才，徐关尧，田平.用网络层次分析法(ANP)评估应 [12]Sun G D,Li Y T,Zhu H.Design of a new type of crawler travel- 急桥梁设计方案.系统工程理论与实践，2007,27(3)：63)
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