突出軟煤巷道掘進裝備機器人化機構設計與分析研究.pdf

1、國內煤炭生產多為井工開采方式，需要布置大量巷道。隨著采煤工作面綜合機械化技術的快速發(fā)展，需要煤巷高效掘進技術與之相匹配。煤層地質條件較好的煤礦已在推廣應用效率較高的綜合機械化掘進工藝，并向著自動化、機器人化的方向發(fā)展。但三軟突出煤層巷道掘進速度一直以來沒有得到有效提高。其直接原因在于防突消突及支護工藝需要大量的輔助施工時間，根本原因則在于現有技術裝備不能夠全面適應突出煤層巷道掘進的復雜工藝措施，需要有針對性地研發(fā)先進裝備。掘進裝備機器人

2、化已經成為煤炭行業(yè)的共識，且對于解決突出軟煤巷道掘進難題有著良好的前景，因此，需要大力開展相關研究工作。
　　本文以典型的突出軟煤礦區(qū)煤巷掘進工藝為背景，研究了瓦斯釋放，錨桿支護，以及掘進截割等裝備技術存在的共性特征，提出了多功能機器人化的理念和機構設計思路。以現有輕型掘進機為基礎，進行了機器人化機構設計關鍵原理驗證，并對掘進裝備機器人化機構設計及分析方面一些核心問題進行了研究。為突出軟煤巷道掘進機器人的進一步研究提供了理論參考。

3、本文主要研究內容如下:
　　(1)突出軟煤巷道掘進過程中防突、截割、支護等工藝措施復雜，涉及裝備多，輔助工序消耗時間過多，導致掘進效率低下。為此，本文提出以更換作業(yè)工具方式實現掘進裝備多功能機器人化。分析了掘進工藝各工序功能及裝備需求特點，并研究了不同種類作業(yè)裝備在功能和運動學方面的相似性，論證了多功能機器人化的可行性。根據作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境和作業(yè)任務的特點，對機器人功能目標進行定位，提出機構設計方案并通過樣機進行關鍵原理驗證。研

4、究了手腕結構和類型對掘進機器人實現多種操作功能的影響，完善了掘進機器人的機構設計。將掘進機的截割功能、各種鉆機的鉆孔功能、以及其他輔助功能等融于一體，可以全面提高掘進機械化程度和施工效率。
　　(2)對掘進機器人關節(jié)驅動能力設計進行了研究。掘進機器人的負載力和負載力矩比較復雜，且作業(yè)方式和作業(yè)路徑多種多樣，無法通過常規(guī)方法確定其最不利工況。本文提出了一種基于腕部運動鏈反向建模的關節(jié)驅動力分析方法。設想截割頭位置固定，反過來以兩個角

5、度參數的連續(xù)變化表達手腕的各種作業(yè)姿態(tài)，以另外一個角度參數表達截割路徑和作業(yè)方式的變化。將任意路徑下腕部整體的作業(yè)狀態(tài)轉化為三個角度參數的連續(xù)變化，使復雜的作業(yè)負載問題得以有效簡化。通過建立手腕部分整體的力系平衡方程并求解，得到截割臂在手腕位置點的驅動力系，繼而得到各個關節(jié)的驅動力或力矩。對掘進機器人的關節(jié)驅動力分析得到了各個關節(jié)的最大驅動力（力矩），并得到了最佳作業(yè)方式。為關節(jié)驅動設計和作業(yè)方式選取提供了理論指導。
　　(3)掘

6、進機器人具有5個自由度，但本質上屬于6自由度串聯(lián)手腕偏置機器人，不存在實用的封閉形式位置逆解。本文對該類機器人的位置逆解算法進行了研究。根據偏置手腕的幾何特征，提出了一種基于偏置量補償的位置逆解數值算法，解決了掘進機器人的位置逆解問題。以相應的手腕無偏置機器人的末端姿態(tài)為參照，通過對手腕偏置量的定向平移補償和迭代修正，得到了手腕偏置機器人的位置逆解。算法可以確保末端姿態(tài)的正確性，且對于手腕結構相同的機器人具有良好的通用性。大量的數據仿真

7、試驗也驗證了算法的實時性能。
　　(4)為保證掘進機器人能夠在巷道空間內完成多種作業(yè)任務，對其作業(yè)空間問題進行了研究。對蒙特卡洛法存在的邊界隨機點分布差、計算精度低等問題進行了分析，提出了一種定向分布算法。根據關節(jié)空間至笛卡爾空間映射的連續(xù)性，在先期得到的邊緣點的周圍重新生成隨機點，有針對性地改善邊界隨機點的分布狀況，并采用二次分層法減小立體空間分層處理引起的誤差。改進算法可以顯著提高邊界求解精度，并提高計算效率。本文還對掘進機器

8、人不同工具的作業(yè)特點進行了分析，提出了工具的標準化設計要點，實現了工作空間的統(tǒng)一化。
　　(5)掘進機器人需要實現多種功能，因此其運動靈活性較為重要。本文對掘進機器人的運動性能分析進行了研究。為解決雅可比矩陣量綱不統(tǒng)一問題，提出了一種簡潔有效的基于可變加權矩陣的雅可比矩陣規(guī)范化方法。根據機器人靈活性的本質意義，定義了可變加權矩陣概念，給出了雅可比矩陣規(guī)范化的一般思路和方法。可變加權矩陣直接由雅可比矩陣自身導出，并用于雅可比矩陣規(guī)范