煤矿救援机器人隔爆外壳结构强度分析

煤矿电气设备的隔爆外壳结构优化赵家臣;侯原亮;刘俊杰;赵龙阳【摘要】对在产的煤矿井下电气设备进行应力应变分析，根据分析结果，以外壳板厚、法兰厚、加强筋截面尺寸为设计变量，以各侧板受到的应力小于σmax和外壳最大变形量小于5mm 为约束条件，以隔爆外壳质量最小化为目标函数对隔爆外壳进行结构优化。

结果表明，优化后隔爆外壳的质量减轻了38.083kg，同时也通过了国家标准GB3836-2010的出厂水压试验。

%Carried on stress-strain analysis for the production of coal mine underground electrical equipment, according to the results,took the shell thickness, flange thickness and ribs sectional dimensions as design variables, each side suffered stress is less thanσmax and the maximum deformation amount o f shell is less than5mm to the constraints, flame-proof enclosure quality minimization as objective function to optimize the structure of Flame-proof enclosure. The results show that after optimizing the quality of flame-proof enclosure reduces 38.083kg, but also through the factory hydraulic test of the national standard GB3836-2010.【期刊名称】《大众科技》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】3页(P40-42)【关键词】电气设备;隔爆外壳;应力应变分析;结构优化【作者】赵家臣;侯原亮;刘俊杰;赵龙阳【作者单位】广西百色美联能源科技有限责任公司，广西百色 533000;桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004;桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004;桂林电子科技大学计算机科学与工程学院，广西桂林 541004【正文语种】中文【中图分类】TD403如今，结构优化已经应用于工程结构设计中，主要为工程师改进结构设计提供可靠而高效的计算方法。

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ABSTRACTCoalminerescuerobotisonekindofrobotsusedinundergrounddestroyed coalmine.Itcanrescuetrappedminersintheundergroundinsteadofmineres cueteamafterminedisaster。

Itwillavoidcasualtiesofminerescueteaminthisway。

Atthesametimeaftertheexplosionandtherescueprocessofdetectioninthe coalmine,minerescueteaminundergroundloadoperationunderhightempera tureenvironment,andtheirphysicalaswellasconsumptionofoxygenishuge 。

煤矿井下皮带输送机防爆巡检机器人研究发布时间：2023-05-05T01:47:00.851Z 来源：《中国科技信息》2023年1期第34卷作者：贺星亮[导读] 工业机器人在越来越多的工业中得到广泛应用，大大提高了相关领域的自动化和生产力。

贺星亮天地（常州）自动化股份有限公司江苏常州 213000摘要：工业机器人在越来越多的工业中得到广泛应用，大大提高了相关领域的自动化和生产力。

但是，在煤矿井下可燃气体空间等爆炸性环境中，它受到特殊使用条件和技术要求的限制，机器人技术的应用并不普遍。

它的主要技术限制涉及在传统工业环境中设计和开发的机器人，这些机器人通常不考虑爆炸环境中电气设备的点火能力或机械火灾引起的发动机部件的点火能力。

基于此，本文章对煤矿井下皮带输送机防爆巡检机器人研究进行探讨，以供相关从业人员参考。

关键词：煤矿井下；皮带输送机；防爆巡检机器人引言随着自动化、信息化技术的发展，多数煤矿井下设备已实现机械化和自动化控制，达到了远程监控、无人值守的效果，但设备日常巡检仍由人工完成，存在一定的安全隐患。

除安全因素外，人工巡检还存在巡检效率低、劳动强度大、检测效果不稳定等问题。

为解决上述问题，设计一套矿用巡检机器人系统，通过搭载的传感设备对井下设备、设施进行智能感知，从而替代人工巡检，减少煤矿井下作业人数。

一、矿井巡检机器人系统组成相机设备由高清相机和云组成，可通过捕捉故障恢复完整的三维全景，并构成机器人系统的基本组成部分。

驱动是一种驱动机器人运行和检测的驱动装置，包括驱动马达、橡胶轮胎、使机器人保持稳定的自动捐助者、使机器人在特定轨道上保持平衡的橡胶轮胎、自动编码器将数据转换为可识别、通信、传输的信号，并显示机器人在矿井中的轨迹。

电缆装置是在机器人行走时使电缆同步的装置。

运输设备是通过电缆传输机器人收集的数据；气体传感器是危险气体，例如气体浓度，在燃煤发电厂下发现并通过运输工具上传的一氧化碳；异物检测用于在机器人检测过程中检测可能导致不均匀行进的障碍物，并在检测到异物时自动停止。

煤矿井下搜救机器人越障分析邓乐;赵莉莉【摘要】Gas and coal dust accidents often effect coal production, the event of mine accidents need quick and timely rescue. Complex and harsh environments underground put forward higher requirement for obstacle - surmounting capability of robot for coal mine rescue after mine accident. According to the environmental characteristics of coal mine in line with the existing mobile mechanism of the robot, the overall robot for coal mine rescue is designed. This paper analyses step and slope - climbing, and channel - crossing of motion mechanism and maximal obstacle - surmounting capability from the viewpoint of kinematics.%煤矿生产时常受到瓦斯、煤尘事故的影响，煤矿事故一旦发生，需要快速及时地进行救援，事故后井下复杂恶劣的环境对煤矿井下搜救机器人越障能力提出了更高要求．根据煤矿井下的环境特点，结合现有机器人的移动机构，对煤矿井下搜救机器人总体进行设计．从运动学角度分析了机器人克服台阶、沟槽、斜坡等典型障碍的运动规律及其最大越障能力．【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(030)005【总页数】4页(P567-570)【关键词】煤矿井下搜救机器人;摆臂;越障【作者】邓乐;赵莉莉【作者单位】河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TP240 引言随着国家经济的快速发展，我国的煤炭需求量在逐年增加．由于煤炭生产多在井下作业，井下环境恶劣、条件复杂、灾害严重，时刻受到水、火、瓦斯、煤尘的威胁，煤矿事故时有发生．煤矿事故后仍存在发生二次灾害的可能，为顺利开展煤矿井下救灾工作，减少矿难所造成的人员伤亡，迫切需要研发可替代或部分替代救险队员的煤矿井下搜救机器人，以代替救险队员进入矿井灾害现场进行环境探测并完成搜救任务．这对建立特种危险条件下的矿井救灾体系具有十分深远的意义．近几年，国内外在该领域的研究取得了显著成果，然而它们离实际应用的要求还有很大距离[1-3]．例如，已经投入实践应用的Ratler矿井探索机器人，它通讯方式单一且通讯距离比较短；在机械结构方面，由于其原型是基于野外全地形运动车辆的要求设计，并没有根据矿井实际环境统筹安排运动系统，所以它的底盘较低且越障性能一般，不能很好地满足井下救灾需要[4-5]．煤矿井下搜救机器人的越障能力是能否发挥作用的重要因素[6-7]，本研究基于前人取得成果的基础上首先提出了机器人总体设计方案，然后从运动学角度分析了机器人克服台阶、沟槽、斜坡等典型障碍的运动规律及其最大越障能力，为确定机器人在煤矿井下复杂环境的适应能力提供一定的理论依据．1 煤矿井下搜救机器人总体设计在地面移动机器人的众多种类中，履带机器人以其良好的地形适应性，在生产实践中得到广泛应用[8]．但普通履带移动机构具有重量大、结构复杂、运动惯性大、零件易损坏、减震性能差等缺点，这些问题严重制约了履带式移动机构的应用和推广．为了解决上述问题，在煤矿井下搜救机器人履带式移动机构上加装前摆臂装置．加装前摆臂装置后机器人质心前移，稳定性得到很大改善，机器人的爬坡、越障性能有明显提高；同时，加装前摆臂装置后机器人倾翻后可以自复位．为提高机器人的地形适应性，前摆臂2个摆臂关节单独驱动、单独控制．本研究总体设计方案如图1所示．采用后轮驱动，用2个电机分别驱动，实现差速转向和原地360°转向．摆臂分别用2个电机驱动，摆臂可在360°范围内旋转，提高机器人跨越沟槽和爬越台阶的越障能力，实现翻转后自复位的功能．2 越障分析2.1 跨越凸台当机器人爬越凸台时，地平面与机器人履带底线之间的夹角将随时间的推移逐渐增加．当质心越过凸台支撑点位置时，机器人就完成了跨过台阶这一爬越动作．煤矿井下搜救机器人爬越凸台的过程如图2所示，机器人在履带机构的驱动下，借助摆臂装置的初始摆角，使主履带前端搭靠在台阶的支撑点上，机器人在驱动力的作用下继续前行，摆臂逆时针摆动．当机器人的质心越过凸台边缘时，顺时针旋转摆臂，机器人在重力的作用下车体下移，从而越过凸台．由上述过程可以看出，机器人在图2(c)时质心的位置达到临界状态，只有机器人质心顺利越过凸台边缘，才能成功的越过障碍．由此可以得到机器人越障的最大高度．建立如图3所示的以机器人后履带轮轴心为坐标原点的坐标系xo1y，设机器人质心G0(x,y) 坐标为[9]，(1)式中：m1为车体的质量；m2为摆臂的质量；l1为驱动轮中心距；l2为摆臂质心到中心轴o2的距离；l3为摆臂两履带轮轴心o2、o3间距；l为车体质心横坐标；h为车体质心纵坐标；R为驱动轮半径；r为摆臂前履带轮半径；α为机器人仰角；θ为机器人摆臂摆角．由图3所示几何关系可得H(θ,α)=R+xsin α+ycos α，(2)设计参数：m1=30 kg，m2=5 kg，l1=500 mm，l2=117 mm，l3=250 mm，r=40 mm，R=100 mm，l=314 mm，h=70 mm ．将机器人参数代入式(1)、式(2)经过仿真得到机器人攀越台阶的高度H和摆臂摆角θ、机器人仰角α之间关系，如图4所示．仰角α在(0,上取值时，机器人攀越台阶的高度H与机器人仰角α基本上符合线性关系；在θ∈(0，和,2π)上，机器人攀越台阶的高度H随着摆臂摆角的增大而增加，在θ∈,上随着θ增加而减小，H与θ呈现正弦关系．由三维图可知H有最大值Hmax=547 mm；机器人爬越台阶的最大高度随机器人质心向前、向下变化而增大．2.2 爬梯运动机器人的爬梯能力是煤矿搜救机器人的重要性能指标[10-11]．如图5所示，摆臂装置先搭载在台阶上，机器人在摆臂装置和主履带的共同作用下爬至第2台阶，从而实现第1台阶、第2台阶和地面的3点接触；驱动主履带行走系统缓慢上爬，实现机器人的爬梯运动这一过程．机器人通过控制摆臂履带和主履带，使其位于同一直线上，这样就增加楼梯与机器人的有效接触长度，从而使机器人爬梯时的稳定性得到很大改善．如图6所示，设l3为关摆臂履带的有效接地长度；H为台阶的高度，满足如下条件，机器人才可以找到一个合适的角度使摆臂搭到台阶面，为把机器人抬离地面做准备．l3>H. (3)设l1为机器人中间主体有效接地长度；T为台阶楼梯宽度，只有满足如下条件，机器人才可以实现连续攀爬．.(4)式(3)、式(4)是煤矿搜救机机器人连续攀爬楼梯的必要条件．通过以上分析可知，机器人摆臂与中间主体的长度，都会影响到机器人的爬梯性能，在一定条件下，机器人摆臂与中间主体长度之和增大时，机器人的爬梯性能逐渐提高．2.3 跨越沟槽机器人跨越沟槽过程如图7所示，机器人跨越沟槽时，质心随着机器人的前移向前移动．当质心运动到沟槽边缘时，机器人受重力作用产生前倾现象．机器人质心位于以r1为半径的圆内，摆臂装置展开后履带与地面的接触长度变大，摆臂履带处于展开状态时，机器人具有最大的跨越沟槽宽度．如图7(d)所示，跨越沟槽的宽度L1：Lmax1=l+r1=(314+18) mm=332 mm. 2.4 斜坡运动分析机器人做斜坡运动时其受力情况如图8所示，当机器人静止或匀速行驶时，其驱动力可表示为f=Gsin β=Gsin 30°=175 N式中：f为地面对驱动轮的切向反作用力.取机器人与斜坡的最大静摩擦力系数μ=0.8，则最大静摩擦力为fmax=μGcos β=140 N.当fmax≥f时，机器人可以平稳行驶；当fmax<f时，机器人受自身重力作用沿斜面下滑.已知煤矿井下机器人与井下地面之间的最大静摩擦系数μ，可以得到机器人可爬越的最大坡度为βmax=tan-1(μ)=34°,爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度amax=(μcos β-sin β)g=1.89 N/s2.由上述分析可知，机器人履带与运动面的最大静摩擦系数决定了机器人可爬越的最大角度，而电机的特性和坡度的大小，决定了机器人爬坡过程的最大加速和爬坡的快速性．3 结语煤矿搜救机器人采用四轮驱动，实现差速转向和原地360°转向，摆臂在360°范围内旋转．机器人爬越台阶高度H与机器人仰角α基本呈线性关系；H与摆臂摆角θ呈正弦关系，在θ∈(0,π/2)和(3π/2,2π)上，H 随着θ的增大而增加，在θ∈(π/2,3π/2)上随着θ增加而减小．车体的长度影响机器人的爬梯性能，在一定条件下，机器人车体长度增大时，机器人的爬梯性能提高．参考文献：[1] 林柏泉,常建华,翟成.我国煤矿安全现状及应当采取的对策分析[J],中国安全学学报,2006(5):42-46.[2] 李东晓.机器人技术在煤矿自动化中的应用[J].煤炭科学技术,2007(5):62-64.[3] 钱善华,葛世荣.救灾机器人的研究现状与煤矿救灾的应用[J].机器人,2006，28(5):350-354.[4] 郑超,赵言正,付庄.一种小型履带机器人的机构设计与实现[J].机电一体化,2007,(4):70-72.[5] 肖俊君,尚建忠,罗自荣.一种多姿态便携式履带机器人传动和结构设计[J].机械设计,2007(3):10-12.[6] 徐正飞.关节式移动机器人的越障运动[J].中国机械工程,2003, 14(12):1052-1055.[7] 马金猛,李小凡,姚辰，等.地面移动机器人越障动力学建模与分析[J].机器人, 2008, 30(3):273-278.[8] 李磊,叶涛,谭民,等.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器人,2002, 24(5):475-480.[9] 李允旺,葛世荣,朱华,等.四履带双摆臂机器人越障机理及越障能力[J].机器人, 2010,32(2):157-165.[10] 乔凤斌,杨汝清.六轮移动机器人爬楼梯能力分析[J]．机器人,2004,26(4):301-305.[11] 王梁,李元宗,王铁,等. 煤矿井下搜救探测机器人结构设计[J].煤矿机械,2010,31(2):1-3.。

应急救援机器人性能优化分析在当今社会，各类灾害和紧急情况时有发生，给人们的生命和财产安全带来了巨大威胁。

为了更高效、更安全地应对这些突发事件，应急救援机器人应运而生。

应急救援机器人能够在危险环境中执行任务，如火灾现场、地震废墟、核辐射区域等，减少人员伤亡和损失。

然而，要使应急救援机器人在复杂和危险的环境中发挥最大作用，其性能优化至关重要。

应急救援机器人的性能优化涉及多个方面，包括机械结构、运动能力、感知系统、通信系统、能源供应以及控制系统等。

首先，机械结构是应急救援机器人的基础。

一个合理的机械结构设计能够确保机器人在恶劣环境中具有良好的稳定性和适应性。

例如，机器人的外形应具备良好的通过性，能够穿越狭窄的通道和崎岖的地形。

同时，机械部件的强度和耐磨性也要足够高，以承受碰撞和摩擦。

为了提高机器人的灵活性，可以采用多关节、多自由度的设计，使其能够完成各种复杂的动作。

运动能力是应急救援机器人性能的关键因素之一。

机器人需要具备快速、准确的移动能力，以迅速到达救援现场。

在不同的环境中，如陆地、水域、空中，机器人应能够适应并选择合适的运动方式。

例如，在陆地上，可以采用轮式、履带式或足式运动；在水域中，需要具备游泳或航行的能力；在空中，则需要具备飞行的功能。

此外，机器人的运动速度和续航能力也需要得到优化，以满足长时间救援任务的需求。

感知系统对于应急救援机器人来说犹如“眼睛”和“耳朵”。

通过先进的传感器，机器人能够感知周围环境的信息，包括温度、湿度、气体浓度、障碍物等。

高性能的感知系统能够提供更准确、更全面的环境数据，帮助机器人做出正确的决策。

例如，使用高清摄像头和红外传感器可以在黑暗和烟雾环境中获取清晰的图像；利用气体传感器可以检测有毒有害气体的浓度；而激光雷达和超声波传感器则能够精确测量距离和障碍物的位置。

通信系统是应急救援机器人与指挥中心和其他救援人员保持联系的重要保障。

稳定、高效的通信能够确保机器人及时接收指令和反馈信息。

矿用隔爆外壳紧固螺钉力学特性分析
迟海波
【期刊名称】《煤矿机械》
【年(卷),期】2024(45)6
【摘要】为了分析矩形箱盖紧固螺钉的力学特性,首先采用重三角级数构造了均布载荷作用下四边固支矩形箱盖的挠度函数,并基于最小势能原理求解得出其待定系数;其次通过建立螺钉固定的矩形箱盖受力模型,计算得到螺钉所受轴向力与弯矩,进而求得螺钉应力;最后通过算例对比分析了紧固螺钉强度的解析解与有限元数值解。

结果验证了该紧固螺钉强度解析求解方法的正确性,为紧固螺钉强度的解析计算提
供了参考。

【总页数】4页(P78-81)
【作者】迟海波
【作者单位】中煤科工集团常州研究院有限公司;天地(常州)自动化股份有限公司【正文语种】中文
【中图分类】TD684
【相关文献】
1.矿用隔爆外壳紧固件及防松措施的探讨
2.基于三维实体有限元分析的矿用隔爆外壳优化设计
3.有关三维实体有限元分析矿用隔爆外壳优化设计的分析
4.矿用隔爆
外壳紧固螺栓的设计与分析5.矿用产品隔爆外壳水压试验现状分析及建议
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（1）CUMT-1 型矿井搜救机器人国内，2006 年6 月，中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所研制的CUMT-Ⅰ型矿井搜救机器人，是我国第一台用于煤矿救援的机器人，如图1-6 所示。

该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度传感器等设备。

能够探测灾害环境，实时传回灾区的瓦斯、一氧化碳、粉尘浓度和温度，以及现场图像等信息；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。

（2）唐山研制的矿用抢险探测机器人据报道，2009 年 6 月，河北省唐山市成功研制了矿用抢险探测机器人（如图1-7 所示），该矿用抢险探测机器人具有防爆、越障、涉水、自定位、采集识别和传输各种数据的功能，能进入事故现场采集影像、数据信息，为及时抢险救人提供重要依据和参考。

（3）哈尔滨工业大学为唐山开诚电器有限公司研制的煤矿井下探测机器人哈尔滨工业大学机器人研究所为唐山开诚电器有限公司研制了煤矿井下探测机器人。

该机器人为三节履带机构形式，分为驱动部分、摆臂部分和摆腿部分，如图1-8 所示。

控制系统分为井下机器人控制系统和井上控制盒遥控系统两部分。

井下机器人控制系统实现机构运动控制、井下视频音频信号采集及温度、风速、CO、CH4 传感器的数据采集。

井上控制盒遥控系统用于接收井下传来图像及声音信息，并通过两个控制摇杆和控制按键对系统发出控制命令，实现对井下系统的遥控。

（4）2006 年11 月8 日，山东省科学院自动化研究所联合沈阳新松机器人有限公司申报的山东省年自主创新重大科技专项——井下探险搜救机器人的研究通过审批。

该项目将开展适合井下复杂路况和环境的探险搜救机器人的研究，攻克探险搜救机器人瓦斯等气体、环境参数、生命探测以及防水、防爆和无线通讯等关键技术，建立完善的探险搜救机器人开发和试验环境，完成井下探险机器人和搜救机器人的研制和示范应用。

矿业工程专业井下防灾救援机器人系统研究近年来，矿难事件频频发生，给矿工们的生命财产安全带来了巨大威胁。

因此，研发一套高效可靠的井下防灾救援机器人系统对于矿业工程专业来说十分重要。

本文将探讨该系统的研究进展、技术特点以及未来发展趋势。

井下矿难救援是一项高风险、高危险性的任务，在传统的手工救援中，矿工面临着诸多的困难和风险，而研发一套井下防灾救援机器人系统可以极大地提升救援效率和矿工的生命安全。

在井下环境中，机器人需要具备复杂的自主导航、探测和救援能力，才能应对各种灾害和障碍。

井下环境的特殊性使得机器人系统需要具备出色的耐高温和防腐蚀性能。

例如，在火灾事故中，机器人需要能够承受高温环境，进行热成像探测，寻找被困矿工和火源。

同时，机器人需要配备有效的防腐蚀措施，以应对井下可能存在的化学物质和湿度。

另外，井下救援机器人系统需要具备良好的通信和定位系统。

由于井下信号覆盖不稳定，传统无线通信技术难以满足实际需求。

因此，研究人员正在探索采用声波、激光和红外等技术实现井下通信和定位。

这些技术可以提供可靠的数据传输和位置信息，为救援行动提供准确的参考。

针对这些技术特点，研究人员已经取得了一定的进展。

首先，针对井下环境的自主导航，机器人可以通过红外传感器、激光雷达等设备感知周围的环境信息，利用自主路径规划算法避开障碍物，以达到快速准确的导航。

其次，机器人配备了热成像仪，可以通过图像处理和智能算法识别出潜在的危险源和被困矿工。

同时，机器人系统还配备了无线监测装置，可以监测井下的气体浓度、温度和湿度等信息，及时预警潜在危险。

未来，井下防灾救援机器人系统的发展仍有待突破。

首先，我们需要加强对机器人的智能性和自主性研究，使其能够适应复杂多变的井下环境。

其次，可以通过机器学习和人工智能的应用，提升机器人的感知、理解和决策能力，使其更加精准地执行任务。

最后，需要进一步优化机器人的设计和制造工艺，提高机器人的可靠性和耐用性，确保其在恶劣的井下环境中长时间运行。

煤矿救援机器人隔爆外壳结构强度分析高俊【摘要】隔爆外壳能有效承受内部爆炸压力,并能防止内部爆炸产生的高温引起外部爆炸环境的爆炸.介绍了煤矿救援机器人隔爆外壳的用途,重点介绍了六履带式探测机器人隔爆结构的设计,应用UG软件结合其结构和设计参数对隔爆外壳进行建模,利用ABAQUS软件对外壳进行有限元分析并优化,为今后煤矿机器人的防爆设计提供参考.【期刊名称】《机械管理开发》【年(卷),期】2018(033)011【总页数】3页(P42-43,119)【关键词】救援机器人;隔爆外壳;建模;有限元分析【作者】高俊【作者单位】同煤集团机电装备科大机械有限公司,山西大同037000【正文语种】中文【中图分类】TD655.3引言由于煤矿井下存在危险的爆炸性气体，若机器人不具有隔爆能力，很容易会因其自身电气设备的爆炸而造成的二次灾害。

隔爆壳体的设计是整个煤矿救援机器人设计的重点，它既是机器人移动的底盘，又要为电池模块、控制模块、驱动模块和传感模块等电气设备提供一个足够安全的安装环境。

隔爆壳体的主要作用是保证通过壳体的结合面和结构间隙渗透到壳体内部的可燃性混合气体在壳体内部爆炸而不会引起外部爆炸性气体环境的爆炸，同时也不会造成机器人自身的损坏。

因此，煤矿救援机器人的隔爆壳体不仅应该具有足够大的有效空间来安装电气设备，而且应具有足够高的强度来保证自身和外部环境的安全[1-2]。

1 煤矿救援机器人隔爆壳体设计1.1 隔爆外壳外形设计在相同容积下，由于外壳形状的不同，爆炸压力也会有较显著的差别。

由于矩形外壳火焰前锋到达壁面的时间早于爆炸性混合物完全燃烧的时间，因而有一部分爆炸生成物的热量被壁吸收，同时通过壁向周围传导，使爆炸生成物冷却，削弱了爆炸生成物向壁膨胀的效果[3]。

且相同容积下，矩形壳体产生的爆炸压力小。

因此，壳体外形设计为矩形，主体结构采用大开盖结构。

在盖箱和壳体的法兰之间采用螺栓连接，两法兰的接触面之间有隔爆结构。

煤矿救援机器人结构设计及分析摘要：矿用救援机器人是一种辅助或替代矿山救护队员进行灾区环境探测和搜救工作的应急救援装备，其应用可以有效地加快搜救速度，及时发现被困矿工，快速定位遇难人员，减少人员伤亡。

煤矿井下空间狭小、地形复杂，尤其是煤矿事故后，矿用救援机器人的作业环境和作业对象是变化的、未知的非结构化环境。

因此本文从煤矿救援机器人结构分析入手，对救援机器人的功能和结构进行了设计。

关键词：救援机器人；危险环境；结构设计灾害事故发生后，作业矿工常常被困于井下，需要进行应急救援。

目前的应急救援方法是派矿山救护队员下井直接搜救。

应急救援时间要求紧迫，救援队员越早进入煤矿，被困矿工的生还希望就越大。

但是，矿井瓦斯爆炸发生后，灾区气温升高，粉尘浓度增大，爆炸性气体以及高浓度的有害气体充满了巷道，矿井环境不稳定，随时有发生二次爆炸或多次爆炸的可能；爆炸后部分造成顶板不稳定，随时可能发生冒落；加之爆炸冲击波波及的矿井巷道内设备错乱、冒落的顶板堆积、错综复杂，给搜救工作带来了很大的困难和危险，以至于救护队员往往不能或无法进入某些危险区域进行搜救工作，从而延误了最佳救援时机，增加了伤亡和事故损失。

因此，在灾害发生后，及时、快速、准确地进行井下失踪矿工的搜寻和定位工作是极其重要的。

需要研制代替矿山救护队员进入煤矿井下灾后现场进行环境探测和救援任务的矿用救援机器人。

一、煤矿救援机器人的技术要求为了能够在煤矿灾变事故环境中有效作业，矿用救援机器人有以下技术要求：（1）移动平台具有很强的非结构环境适应能力和很高的可靠性。

（2）具有较长的续航能力，减少能源补充次数，增加矿用救援机器人在恶劣环境中工作时间，提高作业效率。

（3）为了保证矿用救援机器人在爆炸性环境下工作，并且不引发次生灾害，应该具有防爆、防水等安全保护功能。

（4）具有可靠的通信和感知系统，保证双向信息通信和灾变环境的准确感知。

最后矿井环境是一种特殊的环境，需要对其三维空间进行检测和识别。

煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.32No.11 Nov.2011第32卷第11期2011年11月1矿井机器人的总体结构（1）移动机构图1为隔爆型矿井移动机器人的示意图。

本机器人设计为六轮机构，相比四轮机构具有更好的越障能力和环境适应性。

机器人的传动机构采用梯形标准同步带传动，同步带的带轮套在驱动轴上，在与铝梁连接的接手中分别带动前后2个从动轮转动。

传动机构设计在主隔爆仓的外部，使得传动机构和驱动电机模块在结构上分开，大大地降低了因传动摩擦产生的摩擦热或是轴转动时产生的摩擦火花引起主仓体内部电气设备爆炸的危险。

同时这样设计不仅减少了隔爆仓体出轴的数量，降低了对隔爆性能的影响；还可以有效地减小主仓体的体积，从而减小机器人的整体重量。

车体主隔爆仓只有两侧轴支撑，为了保证车身稳定，减少车身纵倾，设计仓体两侧的侧板连接车体的悬架，利用弹簧或橡胶垫连接侧板和传动机构，悬架的设计不仅能有效地提高车体的行驶性能，而且能保持车身的姿态，减小侧倾、纵倾。

同时侧板也是搭载外部本安传感器、急救箱等物品的载体。

（2）隔爆壳体的设计隔爆机器人的主隔爆壳体不单是用于安装行走机构、环境探测传感器的移动平台，其内部还应该有足够的空间用于安装驱动装置、控制和通信模块、电源模块等电气设备，同时它还是隔绝内部电气设备和外部爆炸性气体环境的唯一屏障。

因此，主隔爆壳体的设计既要满足整体质量尽量小，又要满足安装设备的空间需求；既要考虑形状对抗爆性能的影响（见表1），又要满足国家防爆标准的要求。

图1隔爆型矿井机器人示意图1.主隔爆壳体2.端盖3.传动机构4.全向视觉结构5.侧板和悬架表1相同容积下不同形状的容器对爆炸压力的影响注：表中CH4的爆炸压力是摘自《防爆原理》一书从表1中，可以得到，在相同容积的外壳中，矩形外壳产生的爆炸压力最小，圆筒形次之，说明这2种形状的外壳抗压能力比较强。

圆筒形外壳相对矩形外壳具有加工、安装比较容易、焊缝相对较少，且同容积下，所用材料少等优点，故本设计采用圆筒形作为设计基础。

煤矿救灾机器人防爆视觉系统设计与分析孙辉辉;丁军;张伟杰【摘要】针对煤矿救灾机器人工作环境恶劣，救灾现场充斥着各种各样的易燃易爆性气体、粉尘，容易引起二次爆炸的问题，设计出一种专门用于救灾机器人的防爆视觉系统。

首先，以救灾机器人视角广度为基础，设计出救灾机器人的整体机械结构，并建立相应三维模型；其次，以间隙熄火原理为基础，分析视觉系统防爆壳体的参数，确定壳体间最大防爆间隙；最后，对防爆壳体进行有限元分析，验证了其力学性能的合理性。

%In view of the intricate working conditions of the mine rescue robot, and it ’ s easy to cause the problem of secondary explosion due to rescue sites are filled with a variety of flammable and explosive gas and dust, a kind of explosion protection system is designed for robot vision system.First of all, according to the re-quirements of degrees of freedom, the mechanical structure and corresponding model are established;Second-ly, based on narrow gap principle, the parameters of the visual system is analyzed, and the maximum clear-ance between the shell is determined;Finally, the finite element analysis is carried out on the explosion proof shell, which verifies the rationality of its mechanical properties.【期刊名称】《华北科技学院学报》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】5页(P55-59)【关键词】煤矿救灾;视觉系统;防爆设计;有限元分析【作者】孙辉辉;丁军;张伟杰【作者单位】华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601;华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊 101601;华北科技学院机电工程学院，北京东燕郊101601【正文语种】中文【中图分类】TD2420 引言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，具有其危险作业机器人的特点［1］。

煤矿井下搜救机器人研究【摘要】本文对一款可用于煤矿井下危险区域探测的搜救机器人进行研究。

中国是一个矿难事故多发的国家，中国矿井地质差、高瓦斯的特点，给煤矿生产带来很多隐患。

每年都有矿难事故的报道，带来很大的负面社会影响。

当事故发生时，井下环境如瓦斯浓度、CO 浓度、烟雾大小和井下能见度有关情况不明，更不知是否有爆炸或其他危险时，救护人员贸然进入事故现场是非常危险的，甚至会造成搜救人员的伤亡事故。

在这种产生浓烟、有毒气体和高温的事故现场，机器人是一种理想的探测和救援装置。

关键词：煤矿搜救机器人系统运动控制1 课题研究背景灾难应急搜索和救援机器人（Search And Rescue Robot）是自然灾害、事故等突发事件发生时，代替搜救人员进入现场执行搜救探测任务的移动机器人。

该类机器人可以远程操控或采用自主的方式深入到复杂、危险、不确定的灾害现场，探测未知环境信息，搜索和营救被困者。

搜救机器人是机器人技术朝实用化发展的一个重要分支和新的研究领域，具有重要的社会价值。

搜救机器人可以应用于许多救援场合，比如地震、泥石流、台风、洪水、矿难、消防、危险物排除、野外勘察等。

当灾难或事故发生后，现场环境复杂恶劣，充满未知和不确定性的因素，严重威胁搜救人员的生命安全，给搜救工作的部署和实施带来严峻考验。

而灾难发生后的48小时是实施营救的关键时间，否则超过48小时被困者生还的可能性就变得很小。

因此搜救机器人的研究具有重要的实用价值和社会意义，近年来受到了美国、日本、澳大利亚、中国等国家的高度重视。

本课题的研究目标，是研发一种以主从式遥操作为主并具备一定自主能力的稳定、可靠的煤矿井下移动探测机器人平台，该平台的主要任务定位为煤矿井下危险区域的环境探测，包括环境温度、气体组成与含量（CO，CH4，O2，H2S等）探测，以及现场视频及音频的采集与实时上传；对于这些危险区域我们定位于有限目标环境的有限参数探测，因为煤矿事故种类繁多，情况复杂，我们不可能指望通过一两种复杂的机构适应所有的井下环境，特别是对于像冒顶、塌方等极度复杂的环境或者透水等特殊环境的探测，必须采用专用的机构与技术来解决；因此，本平台主要针对如瓦斯突出、局部火灾、爆炸或坍塌，而具有可进入条件的灾害环境进行探测。