一种矿用钻杆装卸机器人轨迹规划及控制方法研究

发布时间：2020-04-19 02:24

【摘要】：伴随着工业机器人技术的不断发展及普及,工业机器人技术正在被越来越广泛的应用于各个行业中。在煤矿钻探领域将工业机器人技术与钻探设备结合起来,使之完成精确、震荡小、适应井下环境的自动钻杆装卸任务,对发挥工业机器人重复度高、效率高、适应性强的优点,减轻井下钻探工作人员的劳动强度有现实的意义。本文针对井下坑道自动钻机的钻杆装卸流程、工作步骤进行了分析,对钻杆装卸机器人的运动学建模、动力学建模、最优冲击的轨迹规划及优化、控制系统的构建及软件设计进行了研究。主要研究内容包括:(1)针对矿用坑道钻机钻杆装卸的工作特点和工作流程,分析得出了钻杆装卸机器人的工作特点和功能需求;并以此为基础进行了钻杆装卸机器人系统方案设计,完成了机械结构、驱动方式、控制方式的确定。(2)以钻杆装卸机器人为研究对象,进行了运动学建模,包括:连杆坐标系的建立、D-H法参数的确定、运动学正解推导、运动学逆解推导;并通过MATLAB仿真验证了运动学正解与逆解的正确性;在建立的运动学模型基础上进行了运动空间分析;采用拉格朗日法建立了钻杆装卸机器人的动力学模型,为后续最优冲击优化中力矩约束和目标函数构建提供基础。(3)针对钻杆装卸机器人在完成钻杆装载过程中要与钻机动力头进行精确配合的特点,需要尽量减小钻杆装卸机器人运动过程中产生的冲击并保证在关节空间、笛卡尔空间的轨迹符合要求,提出了在笛卡尔空间采用5次非均匀B样条曲线进行轨迹规划,在关节空间进行联合5次非均匀B样条的凸轮曲线规划方法,以保证在笛卡尔空间中钻杆装卸机器人末端轨迹符合要求,使得关节运动速度、加速度、加加速度平滑连续;利用一种改进人工蜂群算法进行最优冲击优化,使得关节运动产生的冲击最小,保证钻杆装卸的平稳性及准确性。(4)根据提出的轨迹规划算法及运动控制的精度、实时性要求,选用固高GUC-T系列嵌入式多轴运动控制器构建了钻杆装卸机器人控制系统,以Otostudio为开发平台完成了钻杆装卸机器人控制系统软件的设计。最后搭建了钻杆装卸机器人实验平台,进行了钻杆装卸机器人钻杆装卸实验,验证了提出方法的可行性。
【图文】：

坑道,内环境,水文观测孔,隐患问题

1.1 课题研究背景及意义地质勘查、水文探测、瓦斯检测等是煤矿开采过程中必不可少的工作，因此在各种地质层上进行钻孔打眼成为重要的工作内容，按照所钻孔的功能可划分为：基建探矿孔、生产探矿孔、放水孔、水文观测孔、泄水孔、排气孔等[1,2]。钻探的深度范围较大，一般在几十米到几百米之间，一根钻杆的长度一般为 1m~3m，由此可见钻探时需要重复的进行钻杆的装载工作；在钻探任务完成后需要重复的进行钻杆卸载。这给钻探工作人员带来了较大的劳动强度。其中尤其以井下坑道内的钻探作业环境最为恶劣，坑道内环境如图 1.1 所示，坑道内环境比较复杂，存在电线电缆、瓦斯气体、同步作业时的炮烟等安全隐患；坑道内有时还会因存在积水、顶侧岩石渗漏等情况导致环境潮湿，工作人员需要采取防潮、防水措施；空气质量、光线情况差。这些都增加了坑道内钻探作业的难度；同时空间狭窄造成了较大的噪声危害，使得职业隐患问题突出。

全液压坑道钻机,履带式,型煤,坑道

1.1 课题研究背景及意义地质勘查、水文探测、瓦斯检测等是煤矿开采过程中必不可少的工作，因此在各种地质层上进行钻孔打眼成为重要的工作内容，按照所钻孔的功能可划分为：基建探矿孔、生产探矿孔、放水孔、水文观测孔、泄水孔、排气孔等[1,2]。钻探的深度范围较大，一般在几十米到几百米之间，一根钻杆的长度一般为 1m~3m，由此可见钻探时需要重复的进行钻杆的装载工作；在钻探任务完成后需要重复的进行钻杆卸载。这给钻探工作人员带来了较大的劳动强度。其中尤其以井下坑道内的钻探作业环境最为恶劣，坑道内环境如图 1.1 所示，坑道内环境比较复杂，，存在电线电缆、瓦斯气体、同步作业时的炮烟等安全隐患；坑道内有时还会因存在积水、顶侧岩石渗漏等情况导致环境潮湿，工作人员需要采取防潮、防水措施；空气质量、光线情况差。这些都增加了坑道内钻探作业的难度；同时空间狭窄造成了较大的噪声危害，使得职业隐患问题突出。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD40;TP242.2

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