矿山救援机器人机械手结构优化及控制研究
发布时间：2020-11-12 00:29
与欧美发达国家相比,我国煤炭生产效率低且煤矿事故高发。为了减少救援人员伤亡和降低救援的风险,救援机器人已应用到煤矿方面进行救援,通过协助或替代救援人员进入灾区,对煤炭井下环境进行监测并寻找幸存者,以提高救援效率。矿山救援机器人机械手放置通信中继器,以实现更长距离的无线传输。在行进途中遇到障碍物,也可以借助机械手清除石块、杂物,继续前行。工作主要从以下几个方面展开:首先,对自主制作救援机械手运动学进行研究,建立矿山救援机器人机械手的D-H数学模型,并完成机械手正运动学以及逆运动的求解。利用MATLAB中Peter Corke开发的机器人工具箱,建立机械手的标准D-H运动学仿真数学模型,并通过输入相关函数分别对完成机械手位姿运动学正、逆解的仿真实验。仿真结果验为后续救援机械手运动规划提供了理论基础。对救援机械手的拉格朗日方程进行求解,计算出机械手的动力学的参数惯性矩阵、离心力和哥氏力系数矩阵及重力项矩阵。为下文的救援机械手控制建立了基础。其次,使用PID算法控制矿山救援机器人机械手。在此基础上,对模糊PID算法的模糊化、模糊规则、模糊推理等进行了详细设计,并用遗传算法优化模糊规则、隶属函数和PID参数。通过MATLAB仿真实现遗传优化模糊PID控制算法仿真设计,并对救援机械手遗传优化模糊PID算法和常规PID算法仿真结果做出比较。然后,传统人工势场法在局部轨迹规划存在目标不可达和局部极小值两大缺陷。对于局部极小值问题,通过目标的相对距离和附加控制力的方法对斥力势函数进行改进。还可以通过Navigation函数法扩大搜索范围,协助救援机械手逃离局部极小值的陷阱。针对这个问题对人工势场法做出改进。在MATLAB进行程序仿真,验证这两种改进人工势场法的可靠性和有效性。最后,对救援机器人机械手硬件系统和机械手的控制系统进行设计,完成设计后,对救援机器人机械手进行抓取目标物体实验,验证该机械手设计的可行性。此后,以救援机器人机械手重量轻关节转矩大为优化目标,以机械臂重量、电机和减速器重量及电机转矩为参数变量,采用ISIGHT的多目标优化算法对本文归结的救援机械手臂的设计优化问题进行优化,设计优化实验,求出救援机械手的最优解,并对解进行了一定的分析。图[51]表[13]参[61]
【学位单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：
图 1.1 2013-2018 年煤矿安全生产情况统计对比Fig1.1 Statistical comparison of coal mine safety production in 2013-2012011-2019 年部分死亡十人以上的较重大煤矿事故表 1.2：表 1.2 2011-2019 年部分死亡十人以上的较重大煤矿事故Table 1.2 Major coal mine accidents with more than 10 deaths in 2011-20事故发生地点 人员伤亡 事故云南曲靖师宗私庄煤矿 43 煤与瓦斯攀枝花西区肖家湾煤矿 43 重大瓦斯水城县阿戛镇马场煤矿 25 煤与瓦斯曲靖麒麟区黎明实业有限公司下海子煤矿22 重大透黑龙江龙煤集团鸡西矿业公司杏花煤矿22大倾角皮带故
图 1.2 表明机器人手臂已经在各方面得到应用，如处理恐怖袭击、助力工业发展、灾害的探测和救援、帮助解决人们生活中的一些小问题以及医疗行业[6]等。今天在处理大型灾害如核电泄漏、地震和矿难等，救援机器人显得尤其重要，它通过机械手臂来完成救援人员的操作，使救援工作变得简单并防止救援人员受到伤害。(a) 汽车维修机器人 (b) 服务机器人
图 1.3 救援机器人 QuinceFig1.3 Rescue robot Quince图 1.4 iRobot 510 PackBot机器人Fig1.4 iRobot 510 PackBot Robot2011年我国第一台遥控防化侦察机器人由南京军区某防化技术大队花费 5研制而成，同时填补了我国该方面机器人技术的空白，如图 1.4 所示。该机器人具有“百毒不侵”的功能，适用于救援人员无法到达地方和高毒高温高危险作环境，同时机器人本体及机械臂装有超声波距离传感器和红外测距传感器，通无线通信系统、核辐射探测器等辅助仪器，完成对核辐射泄漏、化工污染的侦察该机器人机械手代替救援人员完成取样任务[8]。在 2018 中国国际电子信息博览会上展示了一款由深拓科技研发KV150 的双臂排爆机器人。采用碳纤维、镁铝合金等轻质金属材料，成为领先国内轻质机手臂行业的排爆机器人。单个臂只有 7.5kg，两个机械手臂具有 12 个自由度，个臂负载重量可以达到 10kg，单个臂最大负载重量可以达到 6kg，成为国内负载自重最高排爆机器人。常见的单个机械手臂的排爆机器人排爆时，调整各个关
【参考文献】
本文编号：2879971
【学位单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：
图 1.1 2013-2018 年煤矿安全生产情况统计对比Fig1.1 Statistical comparison of coal mine safety production in 2013-2012011-2019 年部分死亡十人以上的较重大煤矿事故表 1.2：表 1.2 2011-2019 年部分死亡十人以上的较重大煤矿事故Table 1.2 Major coal mine accidents with more than 10 deaths in 2011-20事故发生地点 人员伤亡 事故云南曲靖师宗私庄煤矿 43 煤与瓦斯攀枝花西区肖家湾煤矿 43 重大瓦斯水城县阿戛镇马场煤矿 25 煤与瓦斯曲靖麒麟区黎明实业有限公司下海子煤矿22 重大透黑龙江龙煤集团鸡西矿业公司杏花煤矿22大倾角皮带故
图 1.2 表明机器人手臂已经在各方面得到应用，如处理恐怖袭击、助力工业发展、灾害的探测和救援、帮助解决人们生活中的一些小问题以及医疗行业[6]等。今天在处理大型灾害如核电泄漏、地震和矿难等，救援机器人显得尤其重要，它通过机械手臂来完成救援人员的操作，使救援工作变得简单并防止救援人员受到伤害。(a) 汽车维修机器人 (b) 服务机器人
图 1.3 救援机器人 QuinceFig1.3 Rescue robot Quince图 1.4 iRobot 510 PackBot机器人Fig1.4 iRobot 510 PackBot Robot2011年我国第一台遥控防化侦察机器人由南京军区某防化技术大队花费 5研制而成，同时填补了我国该方面机器人技术的空白，如图 1.4 所示。该机器人具有“百毒不侵”的功能，适用于救援人员无法到达地方和高毒高温高危险作环境，同时机器人本体及机械臂装有超声波距离传感器和红外测距传感器，通无线通信系统、核辐射探测器等辅助仪器，完成对核辐射泄漏、化工污染的侦察该机器人机械手代替救援人员完成取样任务[8]。在 2018 中国国际电子信息博览会上展示了一款由深拓科技研发KV150 的双臂排爆机器人。采用碳纤维、镁铝合金等轻质金属材料，成为领先国内轻质机手臂行业的排爆机器人。单个臂只有 7.5kg，两个机械手臂具有 12 个自由度，个臂负载重量可以达到 10kg，单个臂最大负载重量可以达到 6kg，成为国内负载自重最高排爆机器人。常见的单个机械手臂的排爆机器人排爆时，调整各个关
【参考文献】
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本文编号：2879971
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