薄煤层综采工作面巡检机器人运动分析及试验研究

发布时间：2017-09-24 13:31

  本文关键词：薄煤层综采工作面巡检机器人运动分析及试验研究

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【摘要】：我国薄煤层资源丰富,分布广泛,具有较大的经济开采价值,越来越多的煤炭企业开始注重薄煤层资源的开采。薄煤层在开采工艺上已经基本实现了综合机械化、自动化开采,其开采效率和安全性大大提高。由于薄煤层工作面环境恶劣,空间狭窄,使得设备安装、操作和维护比较困难。检修工人需蹲在工作面查看采煤机组、液压支架等设备的运行情况,有些工作面狭窄地段甚至要爬行通过,且井下采煤工作面环境潮湿,工人长时间在这种恶劣环境下工作,对身体造成很大的伤害。同时,由于薄煤层工作面地质环境复杂,随时存在顶板冒落等危险情况,工人在采空区查看顶板或煤壁情况时非常危险。在目前数字化矿山建设和以人为本的大环境下,薄煤层工作面的日常检修工作是实现矿山“数字化、信息化、无人化”建设目标的薄弱环节,为减轻采煤工作面检修工人劳动强度,迫切需要设计一种具有可视化功能且能适应薄煤层综采工作面环境的巡检机器人代替或辅助工人完成日常巡检工作,满足工作面的日常巡检工作。该巡检机器人可有效降低工人劳动强度,减少工作面伤亡事故发生,提高煤炭企业数字化建设程度。薄煤层开采过程自然条件比较复杂,地质环境恶劣。综采工作面顺槽多积水,并有液压支架底座、推移千斤顶、线缆、垮落的岩石、碎煤等障碍物;采掘巷道路面窄而不平,多有断层,路面坡度大。复杂的路况要求井下巡检机器人要有较强的越障、避障能力和行驶能力。针对薄煤层综采工作面环境的特殊性,明确了巡检机器人在工作面需要完成的主要功能,并确定了机器人具体性能指标和技术参数,为机器人设计提供指导方向。履带式机器人具有地形适应能力强的特点,其接地面积大,接地比压小,适合在地面松软或泥泞地形环境下工作。通过分析并对比现有移动机器人的行走方式,确定了巡检机器人采用履带式行走方式,综合考虑薄煤层综采工作面环境要求及技术特点,通过对不同结构机器人特性分析,确定了采用四摇臂式履带结构作为巡检机器人行走机构的整体结构设计方案。传动系统是巡检机器人行走机构的主要设计部分,其设计的合理性关系到机器人结构尺寸及越障性能,本文对巡检机器人行走机构的传动系统进行了创新性设计。由机器人总体结构可知,摇臂驱动轴与主履带轮驱动轴在同一个中心轴上,需要在同一个驱动轴心上实现履带轮和摇臂旋转两个自由度的运动且互不干扰,本课题设计了内轴外套同心传动的结构形式,并对驱动电机和传动齿轮进行了合理布局,满足了机器人结构紧凑、质量轻便的要求。通过越障过程动力学分析得到了驱动电机输出力矩的变化规律,在此基础上,对主驱动电机和摇臂电机进行了合理选型,满足了机器人越障性能要求。使用传统校核方法和有限元法对主传动轴和摇臂传动轴进行了强度校核,保证了机器人可靠性。借鉴同步带传动方式结构,设计了齿形驱动带轮和橡胶履带,并对摇臂机构进行了设计,对箱体结构尺寸和强度进行了校核。对巡检机器人其它结构进行原创性设计,如摇臂定位机构,巡检机器人手臂防护装置、巡检机器人侧支撑装置,并分别获得了国家实用新型专利,同时针对煤矿井下对电气设备防爆的要求,对巡检机器人进行了初步防爆性能设计,为该结构的巡检机器人行走机构防爆性能设计提供参考。最后,在行走机构虚拟装配正确的基础上,加工制造了试验样机,并设计了简易履带涨紧调节装置,解决了主驱动履带脱带的问题,进一步完善了巡检机器人行走机构设计。针对巡检机器人可能遇到的地形环境,对机器人的运动方式进行了研究,分别对平地、爬坡、自撑起、跨沟、翻越障碍等工况进行了动作规划,为机器人后续运动控制奠定基础。薄煤层综采工作面地形条件复杂,这要求巡检机器人具有较强的越障能力,影响越障能力的主要因素之一是机器人质心位置的分布,其决定着越障成败的关键。在分析巡检机器人质心位置分布与前后摇臂倾角的关系基础上,对机器人的越障高度进行了优化分析,在无摇臂支撑越障时,最大越障高度为118.48mm,而后摇臂支撑时越障高度为232.91mm。要使机器人越过200mm障碍,必须借助后摇臂辅助。在四足机器人行走步态理论基础上,在满足假设条件情况下,对机器人四摇臂1-4-2-3行走步态和3-1-4-2行走步态规划,分别在adams仿真软件中进行了虚拟仿真,验证了步态规划的正确性。对两种步态的稳定度进行了计算,经分析对比,行走步态3-1-4-2相对步态1-4-2-3,其控制简单,在占空比相同情况下,稳定性能也较好。建立了滑动效应下的机器人运动学模型,对巡检机器人摇臂正运动学进行了分析,可求解出摇臂履带末端的位置,为进一步研究巡检机器人的姿态控制提供理论依据。在推导履带式巡检机器人动力学模型过程中,考虑了履带和地面的相互作用受力情况,并引入了纵向滑移参数,使得机器人动力学方程更加符合实际情况,准确反映了履带巡检机器人机器人系统输入输出的关系,为后续的巡检机器人的轨迹跟踪运动控制和研究奠定了基础。根据达朗伯原理和牛顿—欧拉方程,分别研究了巡检机器人在平地直线运动、爬坡、越障初始状态、临界状态、后摇臂支撑车体状态、台阶越障前等特殊姿态的受力过程,建立了各姿态的动力学模型,分析得到了电机驱动力矩与前后摇摆倾角、车身倾角、越障高度、地面摩擦系数等外界影响参数的关系,为主驱动电机和摇臂电机合理选型提供依据,提高了机器人越障能力和环境适应能力。如何准确地建立巡检机器人仿真模型直接影响到仿真结果的正确性,橡胶履带机器人的虚拟样机建模是一个难点。本文在多体动力学仿真软件ADAMS中,把橡胶履带分成若干履带段,将各履带段之间采用柔性连接的方式对橡胶履带建模,并基于宏指令开发建立了各条履带的仿真模型,并对履带块间的Bushing衬套力、接触力、求解器的选择等仿真参数进行了合理设置,创建了虚拟样机模型,为后续虚拟仿真奠定了基础。在虚拟模型基础上,分别对巡检机器人的多种运动状态,如直行、爬坡、转弯、越障等动作姿态进行了虚拟仿真,验证了巡检机器人性能设计的合理性,为机器人设计改进提供了参考。最后对设计的巡检机器人行走机构试验样机进行了多姿态越障性能试验,经验证,所设计的巡检机器人性能指标基本达到了设计要求,具有地形适应能力强、结构紧凑、质量轻便等优点。薄煤层综采工作面巡检机器人是移动机器人在煤矿开采领域中的全新应用,涉及到诸多学科,交叉性很强,还有很多的技术难点亟待解决。随着自动化和信息技术的发展,薄煤层综采工作面巡检机器人将对煤矿安全生产起到更加重要的作用。
【关键词】：薄煤层 综采工作面 巡检机器人 试验研究
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD67;TP242
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 1 绪论15-31
• 1.1 课题研究背景及意义15-20
• 1.1.1 我国薄煤层开采现状15
• 1.1.2 课题的提出15-17
• 1.1.3 课题的研究意义17-20
• 1.2 煤矿井下机器人研究现状及发展趋势20-22
• 1.2.1 机器人在煤矿中的应用20-21
• 1.2.2 煤矿井下机器人防爆情况研究现状21-22
• 1.3 摇臂式履带机器人国内外研究现状22-27
• 1.3.1 摇臂式履带机器人国内外发展现状22-26
• 1.3.2 履带式机械动力学研究现状26-27
• 1.3.3 摇臂式履带机器人动力学研究现状27
• 1.3.4 巡检机器人研究现状27
• 1.4 研究现状总结27-28
• 1.5 论文的主要研究内容28-31
• 2 巡检机器人行走机构设计31-59
• 2.1 巡检机器人性能要求31-34
• 2.1.1 巡检机器人工作环境31-32
• 2.1.2 巡检机器人性能及任务要求32-33
• 2.1.3 巡检机器人性能指标33-34
• 2.2 巡检机器人行走机构设计34-36
• 2.2.1 行走方式选择34
• 2.2.2 履带式巡检机器人构型研究34-36
• 2.3 传动机构设计36-44
• 2.3.1 巡检机器人传动方式选择36-37
• 2.3.2 传动系统设计37-42
• 2.3.3 传动齿轮支撑机构设计42-43
• 2.3.4 轴承和键的选用43-44
• 2.4 驱动电机选型计算44-46
• 2.4.1 主驱动电机的选型设计44-46
• 2.4.2 摇臂电机的选型设计46
• 2.5 传动轴计算与校核46-48
• 2.5.1 主驱动轴设计与校核46-47
• 2.5.2 摇臂驱动轴设计与校核47-48
• 2.6 行走机构及箱体设计48-53
• 2.6.1 驱动轮和履带设计49-50
• 2.6.2 摇臂连杆和摇臂涨紧轮设计50-51
• 2.6.3 箱体的设计与校核51-52
• 2.6.4 其他机构设计52-53
• 2.7 防爆初步设计53-55
• 2.8 虚拟装配及样机设计55-57
• 2.8.1 整机虚拟装配55-56
• 2.8.2 样机设计56-57
• 2.9 小结57-59
• 3 巡检机器人越障分析及四摇臂步态行走规划59-87
• 3.1 巡检机器人越障性能分析59-72
• 3.1.1 巡检机器人运动方式研究59-62
• 3.1.2 基于质心分布的巡检机器人越障特性分析62-70
• 3.1.3 巡检机器人越沟能力分析及越障规划70-72
• 3.2 四足机器人行走步态理论72-76
• 3.2.1 四足步行机器人研究现状72-74
• 3.2.2 步态参数描述74-75
• 3.2.3 稳定度计算75-76
• 3.3 巡检机器人四足步态规划76-86
• 3.3.1 步态规划假设条件76
• 3.3.2 顺序 142-3 行走步态规划76-81
• 3.3.3 顺序 314-2 行走步态规划81-85
• 3.3.4 对比分析85-86
• 3.4 小结86-87
• 4 巡检机器人运动学和动力学模型分析87-101
• 4.1 相对坐标系建立87-88
• 4.2 巡检机器人运动学方程建模88-93
• 4.2.1 未考虑滑移效应的运动学方程88-91
• 4.2.2 考虑滑移效应的运动学方程91-93
• 4.3 基于RPY的摇臂运动学分析93-95
• 4.4 巡检机器人动力学模型建模95-99
• 4.5 小结99-101
• 5 巡检机器人越障力学分析101-121
• 5.1 平地直线状态力学建模及分析101-103
• 5.2 爬坡力学建模和分析103-104
• 5.3 翻越台阶力学建模与分析104-110
• 5.3.1 初始状态分析104-107
• 5.3.2 临界状态分析107-108
• 5.3.3 后摇臂支撑车体时越障受力分析108-110
• 5.4 越障过程摇臂力学建模与分析110-113
• 5.4.1 前摇臂力学建模与分析110-111
• 5.4.2 后摇臂力学建模与分析111-113
• 5.5 越障前力学建模与分析113-119
• 5.5.1 爬升初始时刻力学建模与分析113-116
• 5.5.2 爬升过程力学建模与分析116-119
• 5.6 小结119-121
• 6 巡检机器人虚拟仿真及样机实验121-143
• 6.1 基于宏指令开发的巡检机器人虚拟建模121-126
• 6.1.1 虚拟样机建模与简化121-122
• 6.1.2 基于宏指令开发的橡胶履带建模122-123
• 6.1.3 虚拟仿真参数设置123-126
• 6.2 巡检机器人虚拟仿真126-137
• 6.2.1 直行状态仿真126-128
• 6.2.2 爬坡状态仿真128-129
• 6.2.3 转向状态仿真129-131
• 6.2.4 跨沟状态仿真131-133
• 6.2.5 姿态调整仿真133-134
• 6.2.6 越障状态仿真134-137
• 6.3 巡检机器人样机性能试验137-141
• 6.4 虚拟仿真与样机试验对比141-142
• 6.5 小结142-143
• 7 结论与展望143-147
• 7.1 结论143-144
• 7.2 主要创新点144-145
• 7.3 展望145-147
• 参考文献147-159
• 致谢159-161
• 作者简介161-163

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 朱磊;郭疆;刘刚峰;;一种履带机器人滑移参数估计方法[J];中南大学学报(自然科学版);2013年08期

2 谭民;王硕;;机器人技术研究进展[J];自动化学报;2013年07期

3 蔡自兴;郭t，

本文编号：911711