面向矿井灾难救援的机器人控制系统设计研究
摘 要：现阶段，为积极应对频发的矿井灾难，有效提升救援工作效率，减少救援二次伤亡率，救援机器人在救援现场的应用越来越普遍，而对矿难救援机器人的研究也具有较高的理论和实践意义。文章在全面阐述救援机器人应用现状和关键技术的基础上，提出面向矿难救援的多方位驱动机器人，并重点设计了适用于该类机器人的控制系统。
关键词：矿井灾难；救援机器人；运动控制；系统设计
矿难救援对特种机器人的需求越来越大，促使研发开辟出用于搜寻和营救的新型救援机器人。考虑到矿难救援现场复杂的非结构环境以及人机分离的遥控操作状态，要求救援机器人必须设计有良好的控制系统。救援机器人属于应用于恶劣环境的移动机器人范畴，需要重点考虑其机械结构、协调运动、路径规划、数据采集、信息融合、通讯等关键技术，以保障其控制系统的安全性和有效性。
1 救援机器人机械结构及硬件平台
机械机构作为救援机器人控制系统设计的基本部分，是整个硬件平台的基础，能有效实现机器人功能的发挥。本研究设计的多方位驱动机器人体积小、重量轻、形状多变，能适应沟渠、瓦砾、狭窄等恶劣路面，并能及时反馈信息，确认位置等。其机械结构由五个面组成，每面含一个爬行单位。各面折叠后类似无封顶的方盒，可爬行于狭窄空间；各面展开后，其绕转换机构最大旋转角度可达135°。将独立的面支撑起来。并且面与面之间有机械自锁功能的涡轮蜗杆结构。同时，为预防六面展开时履带与履带之间、履带与面之间出现相互干涉，将左右履带设计为独立控制形式。机器人可通过履带间速度差或者旋转单位的运动来改变行进方向。
救援机器人用于矿难救援，工作环境的恶劣性及内部存放电路板空间的狭窄性，要求在硬件平台上必须具有紧凑的空间、可靠的硬件系统、强大的计算能力、多任务并行处理能力、模块化及对软件系统良好的支持能力。多方位驱动机器人建立基于PC104单板计算机为主要处理器的硬件系统，设置监控、运动控制、数据采集三个系统功能，采用有线控制和无线控制方式，使用普通手柄遥控器控制及远程监控PC机、无线数据传输模板控制。多方位驱动机器人的硬件平台的搭建始终坚持全局出发，减少不必要的机械结构和硬件电路，控制机器人的重量，从而提升性能。
2 救援机器人运动控制系统设计
运动控制是多方位驱动机器人最基本的功能之一，其目的是为了对移动机构全体运动进行有效控制，使得机器人在外部控制指令...
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