本文關(guān)鍵詞：薄煤層綜采工作面巡檢機器人運動分析及試驗研究

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【摘要】：我國薄煤層資源豐富,分布廣泛,具有較大的經(jīng)濟開采價值,越來越多的煤炭企業(yè)開始注重薄煤層資源的開采。薄煤層在開采工藝上已經(jīng)基本實現(xiàn)了綜合機械化、自動化開采,其開采效率和安全性大大提高。由于薄煤層工作面環(huán)境惡劣,空間狹窄,使得設(shè)備安裝、操作和維護比較困難。檢修工人需蹲在工作面查看采煤機組、液壓支架等設(shè)備的運行情況,有些工作面狹窄地段甚至要爬行通過,且井下采煤工作面環(huán)境潮濕,工人長時間在這種惡劣環(huán)境下工作,對身體造成很大的傷害。同時,由于薄煤層工作面地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,隨時存在頂板冒落等危險情況,工人在采空區(qū)查看頂板或煤壁情況時非常危險。在目前數(shù)字化礦山建設(shè)和以人為本的大環(huán)境下,薄煤層工作面的日常檢修工作是實現(xiàn)礦山“數(shù)字化、信息化、無人化”建設(shè)目標的薄弱環(huán)節(jié),為減輕采煤工作面檢修工人勞動強度,迫切需要設(shè)計一種具有可視化功能且能適應(yīng)薄煤層綜采工作面環(huán)境的巡檢機器人代替或輔助工人完成日常巡檢工作,滿足工作面的日常巡檢工作。該巡檢機器人可有效降低工人勞動強度,減少工作面?zhèn)鍪鹿拾l(fā)生,提高煤炭企業(yè)數(shù)字化建設(shè)程度。薄煤層開采過程自然條件比較復(fù)雜,地質(zhì)環(huán)境惡劣。綜采工作面順槽多積水,并有液壓支架底座、推移千斤頂、線纜、垮落的巖石、碎煤等障礙物;采掘巷道路面窄而不平,多有斷層,路面坡度大。復(fù)雜的路況要求井下巡檢機器人要有較強的越障、避障能力和行駛能力。針對薄煤層綜采工作面環(huán)境的特殊性,明確了巡檢機器人在工作面需要完成的主要功能,并確定了機器人具體性能指標和技術(shù)參數(shù),為機器人設(shè)計提供指導(dǎo)方向。履帶式機器人具有地形適應(yīng)能力強的特點,其接地面積大,接地比壓小,適合在地面松軟或泥濘地形環(huán)境下工作。通過分析并對比現(xiàn)有移動機器人的行走方式,確定了巡檢機器人采用履帶式行走方式,綜合考慮薄煤層綜采工作面環(huán)境要求及技術(shù)特點,通過對不同結(jié)構(gòu)機器人特性分析,確定了采用四搖臂式履帶結(jié)構(gòu)作為巡檢機器人行走機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。傳動系統(tǒng)是巡檢機器人行走機構(gòu)的主要設(shè)計部分,其設(shè)計的合理性關(guān)系到機器人結(jié)構(gòu)尺寸及越障性能,本文對巡檢機器人行走機構(gòu)的傳動系統(tǒng)進行了創(chuàng)新性設(shè)計。由機器人總體結(jié)構(gòu)可知,搖臂驅(qū)動軸與主履帶輪驅(qū)動軸在同一個中心軸上,需要在同一個驅(qū)動軸心上實現(xiàn)履帶輪和搖臂旋轉(zhuǎn)兩個自由度的運動且互不干擾,本課題設(shè)計了內(nèi)軸外套同心傳動的結(jié)構(gòu)形式,并對驅(qū)動電機和傳動齒輪進行了合理布局,滿足了機器人結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕便的要求。通過越障過程動力學(xué)分析得到了驅(qū)動電機輸出力矩的變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,對主驅(qū)動電機和搖臂電機進行了合理選型,滿足了機器人越障性能要求。使用傳統(tǒng)校核方法和有限元法對主傳動軸和搖臂傳動軸進行了強度校核,保證了機器人可靠性。借鑒同步帶傳動方式結(jié)構(gòu),設(shè)計了齒形驅(qū)動帶輪和橡膠履帶,并對搖臂機構(gòu)進行了設(shè)計,對箱體結(jié)構(gòu)尺寸和強度進行了校核。對巡檢機器人其它結(jié)構(gòu)進行原創(chuàng)性設(shè)計,如搖臂定位機構(gòu),巡檢機器人手臂防護裝置、巡檢機器人側(cè)支撐裝置,并分別獲得了國家實用新型專利,同時針對煤礦井下對電氣設(shè)備防爆的要求,對巡檢機器人進行了初步防爆性能設(shè)計,為該結(jié)構(gòu)的巡檢機器人行走機構(gòu)防爆性能設(shè)計提供參考。最后,在行走機構(gòu)虛擬裝配正確的基礎(chǔ)上,加工制造了試驗樣機,并設(shè)計了簡易履帶漲緊調(diào)節(jié)裝置,解決了主驅(qū)動履帶脫帶的問題,進一步完善了巡檢機器人行走機構(gòu)設(shè)計。針對巡檢機器人可能遇到的地形環(huán)境,對機器人的運動方式進行了研究,分別對平地、爬坡、自撐起、跨溝、翻越障礙等工況進行了動作規(guī)劃,為機器人后續(xù)運動控制奠定基礎(chǔ)。薄煤層綜采工作面地形條件復(fù)雜,這要求巡檢機器人具有較強的越障能力,影響越障能力的主要因素之一是機器人質(zhì)心位置的分布,其決定著越障成敗的關(guān)鍵。在分析巡檢機器人質(zhì)心位置分布與前后搖臂傾角的關(guān)系基礎(chǔ)上,對機器人的越障高度進行了優(yōu)化分析,在無搖臂支撐越障時,最大越障高度為118.48mm,而后搖臂支撐時越障高度為232.91mm。要使機器人越過200mm障礙,必須借助后搖臂輔助。在四足機器人行走步態(tài)理論基礎(chǔ)上,在滿足假設(shè)條件情況下,對機器人四搖臂1-4-2-3行走步態(tài)和3-1-4-2行走步態(tài)規(guī)劃,分別在adams仿真軟件中進行了虛擬仿真,驗證了步態(tài)規(guī)劃的正確性。對兩種步態(tài)的穩(wěn)定度進行了計算,經(jīng)分析對比,行走步態(tài)3-1-4-2相對步態(tài)1-4-2-3,其控制簡單,在占空比相同情況下,穩(wěn)定性能也較好。建立了滑動效應(yīng)下的機器人運動學(xué)模型,對巡檢機器人搖臂正運動學(xué)進行了分析,可求解出搖臂履帶末端的位置,為進一步研究巡檢機器人的姿態(tài)控制提供理論依據(jù)。在推導(dǎo)履帶式巡檢機器人動力學(xué)模型過程中,考慮了履帶和地面的相互作用受力情況,并引入了縱向滑移參數(shù),使得機器人動力學(xué)方程更加符合實際情況,準確反映了履帶巡檢機器人機器人系統(tǒng)輸入輸出的關(guān)系,為后續(xù)的巡檢機器人的軌跡跟蹤運動控制和研究奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)達朗伯原理和牛頓—歐拉方程,分別研究了巡檢機器人在平地直線運動、爬坡、越障初始狀態(tài)、臨界狀態(tài)、后搖臂支撐車體狀態(tài)、臺階越障前等特殊姿態(tài)的受力過程,建立了各姿態(tài)的動力學(xué)模型,分析得到了電機驅(qū)動力矩與前后搖擺傾角、車身傾角、越障高度、地面摩擦系數(shù)等外界影響參數(shù)的關(guān)系,為主驅(qū)動電機和搖臂電機合理選型提供依據(jù),提高了機器人越障能力和環(huán)境適應(yīng)能力。如何準確地建立巡檢機器人仿真模型直接影響到仿真結(jié)果的正確性,橡膠履帶機器人的虛擬樣機建模是一個難點。本文在多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS中,把橡膠履帶分成若干履帶段,將各履帶段之間采用柔性連接的方式對橡膠履帶建模,并基于宏指令開發(fā)建立了各條履帶的仿真模型,并對履帶塊間的Bushing襯套力、接觸力、求解器的選擇等仿真參數(shù)進行了合理設(shè)置,創(chuàng)建了虛擬樣機模型,為后續(xù)虛擬仿真奠定了基礎(chǔ)。在虛擬模型基礎(chǔ)上,分別對巡檢機器人的多種運動狀態(tài),如直行、爬坡、轉(zhuǎn)彎、越障等動作姿態(tài)進行了虛擬仿真,驗證了巡檢機器人性能設(shè)計的合理性,為機器人設(shè)計改進提供了參考。最后對設(shè)計的巡檢機器人行走機構(gòu)試驗樣機進行了多姿態(tài)越障性能試驗,經(jīng)驗證,所設(shè)計的巡檢機器人性能指標基本達到了設(shè)計要求,具有地形適應(yīng)能力強、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕便等優(yōu)點。薄煤層綜采工作面巡檢機器人是移動機器人在煤礦開采領(lǐng)域中的全新應(yīng)用,涉及到諸多學(xué)科,交叉性很強,還有很多的技術(shù)難點亟待解決。隨著自動化和信息技術(shù)的發(fā)展,薄煤層綜采工作面巡檢機器人將對煤礦安全生產(chǎn)起到更加重要的作用。
【關(guān)鍵詞】：薄煤層 綜采工作面 巡檢機器人 試驗研究
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD67;TP242
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 1 緒論15-31
• 1.1 課題研究背景及意義15-20
• 1.1.1 我國薄煤層開采現(xiàn)狀15
• 1.1.2 課題的提出15-17
• 1.1.3 課題的研究意義17-20
• 1.2 煤礦井下機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢20-22
• 1.2.1 機器人在煤礦中的應(yīng)用20-21
• 1.2.2 煤礦井下機器人防爆情況研究現(xiàn)狀21-22
• 1.3 搖臂式履帶機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀22-27
• 1.3.1 搖臂式履帶機器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀22-26
• 1.3.2 履帶式機械動力學(xué)研究現(xiàn)狀26-27
• 1.3.3 搖臂式履帶機器人動力學(xué)研究現(xiàn)狀27
• 1.3.4 巡檢機器人研究現(xiàn)狀27
• 1.4 研究現(xiàn)狀總結(jié)27-28
• 1.5 論文的主要研究內(nèi)容28-31
• 2 巡檢機器人行走機構(gòu)設(shè)計31-59
• 2.1 巡檢機器人性能要求31-34
• 2.1.1 巡檢機器人工作環(huán)境31-32
• 2.1.2 巡檢機器人性能及任務(wù)要求32-33
• 2.1.3 巡檢機器人性能指標33-34
• 2.2 巡檢機器人行走機構(gòu)設(shè)計34-36
• 2.2.1 行走方式選擇34
• 2.2.2 履帶式巡檢機器人構(gòu)型研究34-36
• 2.3 傳動機構(gòu)設(shè)計36-44
• 2.3.1 巡檢機器人傳動方式選擇36-37
• 2.3.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計37-42
• 2.3.3 傳動齒輪支撐機構(gòu)設(shè)計42-43
• 2.3.4 軸承和鍵的選用43-44
• 2.4 驅(qū)動電機選型計算44-46
• 2.4.1 主驅(qū)動電機的選型設(shè)計44-46
• 2.4.2 搖臂電機的選型設(shè)計46
• 2.5 傳動軸計算與校核46-48
• 2.5.1 主驅(qū)動軸設(shè)計與校核46-47
• 2.5.2 搖臂驅(qū)動軸設(shè)計與校核47-48
• 2.6 行走機構(gòu)及箱體設(shè)計48-53
• 2.6.1 驅(qū)動輪和履帶設(shè)計49-50
• 2.6.2 搖臂連桿和搖臂漲緊輪設(shè)計50-51
• 2.6.3 箱體的設(shè)計與校核51-52
• 2.6.4 其他機構(gòu)設(shè)計52-53
• 2.7 防爆初步設(shè)計53-55
• 2.8 虛擬裝配及樣機設(shè)計55-57
• 2.8.1 整機虛擬裝配55-56
• 2.8.2 樣機設(shè)計56-57
• 2.9 小結(jié)57-59
• 3 巡檢機器人越障分析及四搖臂步態(tài)行走規(guī)劃59-87
• 3.1 巡檢機器人越障性能分析59-72
• 3.1.1 巡檢機器人運動方式研究59-62
• 3.1.2 基于質(zhì)心分布的巡檢機器人越障特性分析62-70
• 3.1.3 巡檢機器人越溝能力分析及越障規(guī)劃70-72
• 3.2 四足機器人行走步態(tài)理論72-76
• 3.2.1 四足步行機器人研究現(xiàn)狀72-74
• 3.2.2 步態(tài)參數(shù)描述74-75
• 3.2.3 穩(wěn)定度計算75-76
• 3.3 巡檢機器人四足步態(tài)規(guī)劃76-86
• 3.3.1 步態(tài)規(guī)劃假設(shè)條件76
• 3.3.2 順序 142-3 行走步態(tài)規(guī)劃76-81
• 3.3.3 順序 314-2 行走步態(tài)規(guī)劃81-85
• 3.3.4 對比分析85-86
• 3.4 小結(jié)86-87
• 4 巡檢機器人運動學(xué)和動力學(xué)模型分析87-101
• 4.1 相對坐標系建立87-88
• 4.2 巡檢機器人運動學(xué)方程建模88-93
• 4.2.1 未考慮滑移效應(yīng)的運動學(xué)方程88-91
• 4.2.2 考慮滑移效應(yīng)的運動學(xué)方程91-93
• 4.3 基于RPY的搖臂運動學(xué)分析93-95
• 4.4 巡檢機器人動力學(xué)模型建模95-99
• 4.5 小結(jié)99-101
• 5 巡檢機器人越障力學(xué)分析101-121
• 5.1 平地直線狀態(tài)力學(xué)建模及分析101-103
• 5.2 爬坡力學(xué)建模和分析103-104
• 5.3 翻越臺階力學(xué)建模與分析104-110
• 5.3.1 初始狀態(tài)分析104-107
• 5.3.2 臨界狀態(tài)分析107-108
• 5.3.3 后搖臂支撐車體時越障受力分析108-110
• 5.4 越障過程搖臂力學(xué)建模與分析110-113
• 5.4.1 前搖臂力學(xué)建模與分析110-111
• 5.4.2 后搖臂力學(xué)建模與分析111-113
• 5.5 越障前力學(xué)建模與分析113-119
• 5.5.1 爬升初始時刻力學(xué)建模與分析113-116
• 5.5.2 爬升過程力學(xué)建模與分析116-119
• 5.6 小結(jié)119-121
• 6 巡檢機器人虛擬仿真及樣機實驗121-143
• 6.1 基于宏指令開發(fā)的巡檢機器人虛擬建模121-126
• 6.1.1 虛擬樣機建模與簡化121-122
• 6.1.2 基于宏指令開發(fā)的橡膠履帶建模122-123
• 6.1.3 虛擬仿真參數(shù)設(shè)置123-126
• 6.2 巡檢機器人虛擬仿真126-137
• 6.2.1 直行狀態(tài)仿真126-128
• 6.2.2 爬坡狀態(tài)仿真128-129
• 6.2.3 轉(zhuǎn)向狀態(tài)仿真129-131
• 6.2.4 跨溝狀態(tài)仿真131-133
• 6.2.5 姿態(tài)調(diào)整仿真133-134
• 6.2.6 越障狀態(tài)仿真134-137
• 6.3 巡檢機器人樣機性能試驗137-141
• 6.4 虛擬仿真與樣機試驗對比141-142
• 6.5 小結(jié)142-143
• 7 結(jié)論與展望143-147
• 7.1 結(jié)論143-144
• 7.2 主要創(chuàng)新點144-145
• 7.3 展望145-147
• 參考文獻147-159
• 致謝159-161
• 作者簡介161-163

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 朱磊;郭疆;劉剛峰;;一種履帶機器人滑移參數(shù)估計方法[J];中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2013年08期

2 譚民;王碩;;機器人技術(shù)研究進展[J];自動化學(xué)報;2013年07期

3 蔡自興;郭t，

本文編號：911711