突出軟煤巷道掘進(jìn)裝備機(jī)器人化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析研究.pdf

1、國內(nèi)煤炭生產(chǎn)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(jī)械化技術(shù)的快速發(fā)展，需要煤巷高效掘進(jìn)技術(shù)與之相匹配。煤層地質(zhì)條件較好的煤礦已在推廣應(yīng)用效率較高的綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，并向著自動(dòng)化、機(jī)器人化的方向發(fā)展。但三軟突出煤層巷道掘進(jìn)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(hù)工藝需要大量的輔助施工時(shí)間，根本原因則在于現(xiàn)有技術(shù)裝備不能夠全面適應(yīng)突出煤層巷道掘進(jìn)的復(fù)雜工藝措施，需要有針對(duì)性地研發(fā)先進(jìn)裝備。掘進(jìn)裝備機(jī)器人

2、化已經(jīng)成為煤炭行業(yè)的共識(shí)，且對(duì)于解決突出軟煤巷道掘進(jìn)難題有著良好的前景，因此，需要大力開展相關(guān)研究工作。
　　本文以典型的突出軟煤礦區(qū)煤巷掘進(jìn)工藝為背景，研究了瓦斯釋放，錨桿支護(hù)，以及掘進(jìn)截割等裝備技術(shù)存在的共性特征，提出了多功能機(jī)器人化的理念和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。以現(xiàn)有輕型掘進(jìn)機(jī)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了機(jī)器人化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵原理驗(yàn)證，并對(duì)掘進(jìn)裝備機(jī)器人化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析方面一些核心問題進(jìn)行了研究。為突出軟煤巷道掘進(jìn)機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供了理論參考。

3、本文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)突出軟煤巷道掘進(jìn)過程中防突、截割、支護(hù)等工藝措施復(fù)雜，涉及裝備多，輔助工序消耗時(shí)間過多，導(dǎo)致掘進(jìn)效率低下。為此，本文提出以更換作業(yè)工具方式實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)裝備多功能機(jī)器人化。分析了掘進(jìn)工藝各工序功能及裝備需求特點(diǎn)，并研究了不同種類作業(yè)裝備在功能和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的相似性，論證了多功能機(jī)器人化的可行性。根據(jù)作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境和作業(yè)任務(wù)的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人功能目標(biāo)進(jìn)行定位，提出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并通過樣機(jī)進(jìn)行關(guān)鍵原理驗(yàn)證。研

4、究了手腕結(jié)構(gòu)和類型對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多種操作功能的影響，完善了掘進(jìn)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。將掘進(jìn)機(jī)的截割功能、各種鉆機(jī)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(jìn)機(jī)械化程度和施工效率。
　　(2)對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)能力設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。掘進(jìn)機(jī)器人的負(fù)載力和負(fù)載力矩比較復(fù)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(yùn)動(dòng)鏈反向建模的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力分析方法。設(shè)想截割頭位置固定，反過來以兩個(gè)角

5、度參數(shù)的連續(xù)變化表達(dá)手腕的各種作業(yè)姿態(tài)，以另外一個(gè)角度參數(shù)表達(dá)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(zhuǎn)化為三個(gè)角度參數(shù)的連續(xù)變化，使復(fù)雜的作業(yè)負(fù)載問題得以有效簡(jiǎn)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(diǎn)的驅(qū)動(dòng)力系，繼而得到各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力或力矩。對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力分析得到了各個(gè)關(guān)節(jié)的最大驅(qū)動(dòng)力（力矩），并得到了最佳作業(yè)方式。為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和作業(yè)方式選取提供了理論指導(dǎo)。
　　(3)掘

6、進(jìn)機(jī)器人具有5個(gè)自由度，但本質(zhì)上屬于6自由度串聯(lián)手腕偏置機(jī)器人，不存在實(shí)用的封閉形式位置逆解。本文對(duì)該類機(jī)器人的位置逆解算法進(jìn)行了研究。根據(jù)偏置手腕的幾何特征，提出了一種基于偏置量補(bǔ)償?shù)奈恢媚娼鈹?shù)值算法，解決了掘進(jìn)機(jī)器人的位置逆解問題。以相應(yīng)的手腕無偏置機(jī)器人的末端姿態(tài)為參照，通過對(duì)手腕偏置量的定向平移補(bǔ)償和迭代修正，得到了手腕偏置機(jī)器人的位置逆解。算法可以確保末端姿態(tài)的正確性，且對(duì)于手腕結(jié)構(gòu)相同的機(jī)器人具有良好的通用性。大量的數(shù)據(jù)仿真

7、試驗(yàn)也驗(yàn)證了算法的實(shí)時(shí)性能。
　　(4)為保證掘進(jìn)機(jī)器人能夠在巷道空間內(nèi)完成多種作業(yè)任務(wù)，對(duì)其作業(yè)空間問題進(jìn)行了研究。對(duì)蒙特卡洛法存在的邊界隨機(jī)點(diǎn)分布差、計(jì)算精度低等問題進(jìn)行了分析，提出了一種定向分布算法。根據(jù)關(guān)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(diǎn)的周圍重新生成隨機(jī)點(diǎn)，有針對(duì)性地改善邊界隨機(jī)點(diǎn)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(jìn)算法可以顯著提高邊界求解精度，并提高計(jì)算效率。本文還對(duì)掘進(jìn)機(jī)器

8、人不同工具的作業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了工具的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了工作空間的統(tǒng)一化。
　　(5)掘進(jìn)機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)多種功能，因此其運(yùn)動(dòng)靈活性較為重要。本文對(duì)掘進(jìn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能分析進(jìn)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(jiǎn)潔有效的基于可變加權(quán)矩陣的雅可比矩陣規(guī)范化方法。根據(jù)機(jī)器人靈活性的本質(zhì)意義，定義了可變加權(quán)矩陣概念，給出了雅可比矩陣規(guī)范化的一般思路和方法?？勺兗訖?quán)矩陣直接由雅可比矩陣自身導(dǎo)出，并用于雅可比矩陣規(guī)范