洞穴探测机器人设计

  结 点 式 [1];在有可能威胁到作业人员人身安全的危 险 工 作 区 域 ，往 往 要 借 助 机 器 人 来 代 替 人 完 成 工 作 。 但 是 ，目前国内的洞穴探测机器人品种较少，且对于 不同洞穴作业环境的适应能力差、功能 不 足 ；国外的 探 测 机 器 人 起 步 较 早 ，但专门用于洞穴探测的机器 人 也 极 为 少 见 ，并且设备价格和维护成本高昂。

  履 带 式 、多足式和综合多种驱动模式的复合模式等 几 种 。轮式驱动模式相对于其它模式具有成本低、 结 构简单、机构可靠、动力效率高、高速机动性强等

  诸多优 点 [7,8]。为了让洞穴机器人兼具履带式驱动的 越 野 能 力 和 轮 式 驱 动 的 简 单 高 效 的 特 点 ，爬 行 器 底 盘采用六轮的驱动方式设计，如 图 3 所 示 。洞穴机 器 人 在 正常行进时外侧的4 个 大 轮 提 供 动 力 ，当跨 越障碍物时，中间的小轮可提供辅助动力，保证垫盘 不被障碍物支起而不能前进。另 外 ，该机器人的驱 动 电 机 为 90 W,平整地面环境下，可 以 负 载 100 k g ， 动 力充足。该洞穴探测机器人底盘驱动方式经过多 次 试 验 ，能 够 平 稳 运 行 ，具 有 较 好 的 驱 动 和 越 障 能 力 。

  鉴 于 以 上 研 究 背 景 ，结 合 机 器 人 具 有 体 积 小 、 行 动 便 捷 又 易 于 操 控 ，并 且 在 智 能 跟 踪 、远 程 监 控 、 能源开发和抢险救援等方面的工作已发挥重大作 用 [2],机器人能够代替人类在高温、强 热 辐 射 、浓 烟 、 地 形 复 杂 、障碍 物 多 、化 学 腐 蚀 、易燃易爆等恶劣环 境 中 进 行 现 场 侦 察 [3]; 同时能利用多个传感器进 行 信 息 监 测 ，再用计算机对这一些信息做综合分析 处 理 和 判 断 [4];让操作者可以对勘测对象有一个客 观 准 确 的 分 析 和 判 断 的 特 点 。本 论 文 设 计 一 款 能 够在人工作业前进人洞穴进行初步勘探、有效地降 低洞穴探测事故发生风险的洞穴探测机器人方案， 并且进行了一部分的功能测试;该机器人具有防障 碍 的 六 轮 驱 动 功 能 ，携 带 前 后 高 清 摄 像 机 ，拥有自 身 姿 态 、温 度 传 感 器 系 统 ，可以克服较深洞穴的通 讯 难 题 。这 种 洞 穴 勘 探 机 器 人 能 够 降 低 洞 穴 勘 探 、 开 发 风 险 ，提 高 效 率 ，有 望 在 资 源 、环 境 、灾 害 、空间 的多元素调查方面发挥重大作用。 2 洞穴机器人功能需求分析及整体设计

  摄 像 机 ,拥 有 自 身 姿 态 、温 度 传 感 器 系 统 ，可以克服 较深洞穴的通讯难题。这种洞穴勘探机器人能够降 低洞穴勘探、开发风险，提髙 效 率 ，并有望在资源、环 境 、灾 害 、空间的多元素调查方面发挥重大作用。

  为 了 获 得 经济的快速地发展，在过去的一段时间 里我国采用了粗放式的勘探一开采模式，然而也造 成 了 “资源约束趋紧、环境污染严重、ECO退化” 的严峻形势。在 十 八 大 以 后 ，随着我们国家加强自然保 护 区 、森林公园体制的建设，地质调查需求也从过去 粗放型向精准服务型转变。但未知情况下的洞穴勘 探 、开发往往具有较大的难度和风险。如 2 0 1 6 年 6 月 2 7 日云南省文山市平坝镇,4名采石者被困一天 然 溶 洞 ；2 0 1 6 年 7 月 8 日甘肃省临夏州，中国地质 环境监测院李祥龙博士地质调查时因探槽壁突然崩 塌被石头砸中身亡;2 0 1 7 年 1 1 月 2 6 日江西省萍乡 市 湘 东 区 荷 尧 镇 ，8 名人员在勘探一处未开发的地 下溶 洞 时 被 困 。因 此 ，未知洞穴的勘探开发存在较 大的难度和风险;并且，一 旦发 生 事 故 ，造成的人员、 环 境 、以及经济的损失是无法计量的。资料调研显 示 ，现在的洞穴、矿井中环境检验测试设备多为手持式及

  湖北工业大学机械工程学院张 港 高 泽 平 谭 飞 鸿 吴 潇 陈 涛 武 昌 工 学 院 信 息 工 程 学 院 陈菊

  摘 要 :传 统 的 洞 穴 勘 探 、开 发 模 式 ，具有极大的 难 度 ，并且给相关作业人员带来潜在的安全风险隐患。 本 论 文 设 计 了 一 款 高 效 、安 全 的 洞 穴 机 器 人 方 案 ，该 机器人具有防障碍的六轮驱动功能，携带前后高清

  力 ;操 作 、控 制 简 单 灵 活 ，方便操控手完成相关的规定的动 作 ；同时要求洞穴探测机器人能够将洞穴中的空间 结 构 和 环 境 参 数 实 时 传 输 给 外 接 操 作 者 ；再 次 ，采 用的通讯方式要保证洞穴探测机器人进入较深洞 穴 时 ，能 够 与 外 界 保 持 良 好 的 通 讯 。针对以上洞穴 探 测 需 求 ，本 论 文 设 计 了 功 能 结 构 如 图 1 的洞穴探 测机器人:该机器人通过基于电力载波技术的有线 通 讯 方 式 与 外 界 通 讯 ，这样保证机器人在进人较深 洞穴时仍然 能 够 与 外 界 保 持 良 好 的 通 讯 ，且在机器 人 被 困 时 能 够 借 助 抗 拉 电 缆 强 行 拉 出 ；同 时 ，管道 机器人 携 带 前 后 高 清 相 机 、环境监视测定传感器及自身 姿 态 传 感 器 [5]，这样就能够实时将洞穴空间结构和 环 境 参 数 实 时 传 输 给 操 作 者 ，同时通过自身姿态传 感 器 保 证 洞 穴 探 测 机 器 人 平 稳 运 行 ；另 外 ，洞穴机 器 人 采 用 中 间 两 轮 小 、两边四轮大六驱动轮设计以 增 加 越 障 碍 能 力 ；操作者在外界通过电脑界面实时 操 纵 机 器 人 的 运 动 ，以及通过操作云台的运动来调 节 高 清 相 机 的 角 度 来 观 测 洞 穴 内 部 状 况 [6]。

  洞穴探测机器人能够在地形复杂的洞穴中灵活 运 动 ，需要机器人具有较大的负载功率和越障碍能