【摘要】：伴隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展及普及,工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在被越來越廣泛的應(yīng)用于各個行業(yè)中。在煤礦鉆探領(lǐng)域?qū)⒐I(yè)機(jī)器人技術(shù)與鉆探設(shè)備結(jié)合起來,使之完成精確、震蕩小、適應(yīng)井下環(huán)境的自動鉆桿裝卸任務(wù),對發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人重復(fù)度高、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),減輕井下鉆探工作人員的勞動強(qiáng)度有現(xiàn)實(shí)的意義。本文針對井下坑道自動鉆機(jī)的鉆桿裝卸流程、工作步驟進(jìn)行了分析,對鉆桿裝卸機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)建模、動力學(xué)建模、最優(yōu)沖擊的軌跡規(guī)劃及優(yōu)化、控制系統(tǒng)的構(gòu)建及軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容包括:(1)針對礦用坑道鉆機(jī)鉆桿裝卸的工作特點(diǎn)和工作流程,分析得出了鉆桿裝卸機(jī)器人的工作特點(diǎn)和功能需求;并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了鉆桿裝卸機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì),完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式、控制方式的確定。(2)以鉆桿裝卸機(jī)器人為研究對象,進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)建模,包括:連桿坐標(biāo)系的建立、D-H法參數(shù)的確定、運(yùn)動學(xué)正解推導(dǎo)、運(yùn)動學(xué)逆解推導(dǎo);并通過MATLAB仿真驗(yàn)證了運(yùn)動學(xué)正解與逆解的正確性;在建立的運(yùn)動學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了運(yùn)動空間分析;采用拉格朗日法建立了鉆桿裝卸機(jī)器人的動力學(xué)模型,為后續(xù)最優(yōu)沖擊優(yōu)化中力矩約束和目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建提供基礎(chǔ)。(3)針對鉆桿裝卸機(jī)器人在完成鉆桿裝載過程中要與鉆機(jī)動力頭進(jìn)行精確配合的特點(diǎn),需要盡量減小鉆桿裝卸機(jī)器人運(yùn)動過程中產(chǎn)生的沖擊并保證在關(guān)節(jié)空間、笛卡爾空間的軌跡符合要求,提出了在笛卡爾空間采用5次非均勻B樣條曲線進(jìn)行軌跡規(guī)劃,在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行聯(lián)合5次非均勻B樣條的凸輪曲線規(guī)劃方法,以保證在笛卡爾空間中鉆桿裝卸機(jī)器人末端軌跡符合要求,使得關(guān)節(jié)運(yùn)動速度、加速度、加加速度平滑連續(xù);利用一種改進(jìn)人工蜂群算法進(jìn)行最優(yōu)沖擊優(yōu)化,使得關(guān)節(jié)運(yùn)動產(chǎn)生的沖擊最小,保證鉆桿裝卸的平穩(wěn)性及準(zhǔn)確性。(4)根據(jù)提出的軌跡規(guī)劃算法及運(yùn)動控制的精度、實(shí)時性要求,選用固高GUC-T系列嵌入式多軸運(yùn)動控制器構(gòu)建了鉆桿裝卸機(jī)器人控制系統(tǒng),以O(shè)tostudio為開發(fā)平臺完成了鉆桿裝卸機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。最后搭建了鉆桿裝卸機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺,進(jìn)行了鉆桿裝卸機(jī)器人鉆桿裝卸實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了提出方法的可行性。
【圖文】：

1.1 課題研究背景及意義地質(zhì)勘查、水文探測、瓦斯檢測等是煤礦開采過程中必不可少的工作，因此在各種地質(zhì)層上進(jìn)行鉆孔打眼成為重要的工作內(nèi)容，按照所鉆孔的功能可劃分為：基建探礦孔、生產(chǎn)探礦孔、放水孔、水文觀測孔、泄水孔、排氣孔等[1,2]。鉆探的深度范圍較大，一般在幾十米到幾百米之間，一根鉆桿的長度一般為 1m~3m，由此可見鉆探時需要重復(fù)的進(jìn)行鉆桿的裝載工作；在鉆探任務(wù)完成后需要重復(fù)的進(jìn)行鉆桿卸載。這給鉆探工作人員帶來了較大的勞動強(qiáng)度。其中尤其以井下坑道內(nèi)的鉆探作業(yè)環(huán)境最為惡劣，坑道內(nèi)環(huán)境如圖 1.1 所示，坑道內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，存在電線電纜、瓦斯氣體、同步作業(yè)時的炮煙等安全隱患；坑道內(nèi)有時還會因存在積水、頂側(cè)巖石滲漏等情況導(dǎo)致環(huán)境潮濕，工作人員需要采取防潮、防水措施；空氣質(zhì)量、光線情況差。這些都增加了坑道內(nèi)鉆探作業(yè)的難度；同時空間狹窄造成了較大的噪聲危害，使得職業(yè)隱患問題突出。

1.1 課題研究背景及意義地質(zhì)勘查、水文探測、瓦斯檢測等是煤礦開采過程中必不可少的工作，因此在各種地質(zhì)層上進(jìn)行鉆孔打眼成為重要的工作內(nèi)容，按照所鉆孔的功能可劃分為：基建探礦孔、生產(chǎn)探礦孔、放水孔、水文觀測孔、泄水孔、排氣孔等[1,2]。鉆探的深度范圍較大，一般在幾十米到幾百米之間，一根鉆桿的長度一般為 1m~3m，由此可見鉆探時需要重復(fù)的進(jìn)行鉆桿的裝載工作；在鉆探任務(wù)完成后需要重復(fù)的進(jìn)行鉆桿卸載。這給鉆探工作人員帶來了較大的勞動強(qiáng)度。其中尤其以井下坑道內(nèi)的鉆探作業(yè)環(huán)境最為惡劣，坑道內(nèi)環(huán)境如圖 1.1 所示，坑道內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，，存在電線電纜、瓦斯氣體、同步作業(yè)時的炮煙等安全隱患；坑道內(nèi)有時還會因存在積水、頂側(cè)巖石滲漏等情況導(dǎo)致環(huán)境潮濕，工作人員需要采取防潮、防水措施；空氣質(zhì)量、光線情況差。這些都增加了坑道內(nèi)鉆探作業(yè)的難度；同時空間狹窄造成了較大的噪聲危害，使得職業(yè)隱患問題突出。
【學(xué)位授予單位】：濟(jì)南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD40;TP242.2

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本文編號：2632819