基于改进SFS算法的锚杆钻臂参数整定研究

针对锚杆钻臂井下自动控制过程中存在的环境恶劣、地质复杂等特殊工况,需着重考虑PID的参数选取,为此采用随机分形搜索算法(SFS)对PID参数进行整定。由于随机分形搜索算法存在局部搜索能力不足、易陷入局部最优等问题,在面对机械臂待整定参数多及参数间耦合严重时,其整定效果不佳。因此,引入混沌初始化、正余弦策略、自适应K值选取策略以提高算法的局部搜索能力以及全局搜索速度;采用柯西、差分定向变异策略使算法跳出局部最优。通过标准测试函数测试表明改进后的随机分形搜索算法收敛速度及精度均有一定提高。最后通过锚杆钻臂参数整定仿真实验表明:改进后随机分形搜索算法整定的PID参数总体适应度值提高21%;各关节的量化指标表示改进后随机分形搜索算法跳出了局部最优,提高了整体寻优精度与速度。

无监督学习型凿岩钻臂逆运动学求解方法

凿岩台车钻臂智能寻孔控制对提升凿岩钻孔作业精度和效率具有重要意义,逆运动学求解是实现钻臂精确快速寻孔控制的核心.现有解析法或数值法无法满足复杂钻臂逆运动学求解精度或时间效率要求,而传统神经网络方法依赖于标签数据,求解结果的可靠性较低.针对上述问题,本文提出一种考虑安全约束的无监督学习型神经网络逆运动学求解方法.区别于传统解法,该方法不依赖标签数据,直接将期望钻臂末端位姿作为网络输入,以实际末端位姿与期望末端位姿的差异作为优化目标,通过梯度下降驱动网络更新.同时,为确保关节位置的安全性,本文构造了安全碰撞惩罚,将罚项引入到求解目标函数中,促使网络输出的关节量满足特定环境的约束条件.上述的研究方法不仅提高了逆运动学求解的精度,而且显著降低了逆运动学解的碰撞率.实验结果表明,使用无监督学习型神经网络逆运动学求解方法所求得的寻孔误差均值在5~7 mm之间,相较于监督学习型方法,逆运动学求解精度提升约70.72%;引入约束后,该方法在不损失求解精度的前提下,逆运动学解的碰撞率降低了90.28%.

锚杆钻车臂架结构的优化设计

为解决现有锚杆钻车作业空间小和工作效率低等问题,提出了钻车臂架结构的优化设计。首先,对锚杆钻车臂架结构进行了分析。分别研究了在不同工况下的结构强度和刚度。然后,基于臂架结构分析对其进行了仿真优化。最后,对优化结果进行了检验分析,为实际优化生产提供了理论依据。

悬臂式掘进机在小断面水工隧洞施工中的应用

笔者以某抽水蓄能电站下水库导流洞施工为例,探讨EBZ260型悬臂式掘进机在小断面水工隧洞施工中的应用,从施工安全、质量、进度、经济性等方面与传统的钻爆法施工进行对比分析。结果表明:相比于传统的钻爆法,悬臂式掘进机施工对围岩扰动较小,可有效控制超欠挖,施工质量易于控制,施工更安全,施工成本低。施工经验可为类似工程施工提供借鉴。

凿岩机器人钻臂的运动学研究

为实现凿岩机器人钻臂在凿岩过程中的自动定位，建立了多关节钻臂的运动学方程；根据钻臂的实际工作特点和工作范围提出了一种求逆解的方法．运算结果表明，该方法可以成功地实现快速、精确求解，具有较高的实用价值．

潜孔钻机钻臂虚拟样机建模与动力学仿真

研究潜孔钻机优化定位和结构设计问题,潜孔钻机钻臂是一种复杂的多关节机构的特点,传统的方法采用机器人动力学模型求解困难。为了提高设计的可靠性和有效性,提出一种虚拟样机技术进行设计,建立仿真系统。首先采用Pro/E和ADAMS建立钻臂虚拟样机模型,再结合实际工况对钻臂四个典型动作进行动力学仿真,得到各液压缸受力变化曲线。实验结果进行了对比。实验表明仿真模型和仿真结果合理可靠,为进一步进行钻臂设计和研究提供了可靠的参考依据。

多关节凿岩机械手快速定位方法

凿岩机器人在工作时 ,完成的任务是随机的 ,它每 1只机械手具有 6个转动关节和 3个移动关节 .在定位时 ,其运动学逆运算过程相当复杂 ,为满足实时控制的需要 ,必须实现快速逆运算 .作者在分析凿岩机器人钻臂结构的基础上 ,利用钻臂的双三角支架的空间平移性能 ,根据各关节变化所引起的钻臂端部位姿的变化 ,综合机器人学中运动学知识 ,建立一个专家系统 ,采用拟人化的方案———“先定点 ,再定位姿” ,解决凿岩臂的快速定位问题 ,以实现描述各关节位置的变量的快速逆运算 .根据实际工作情况 ,首先使钻臂的端点与目标定位点重合 ,求解出相应的关节运动变量的值 ,然后把凿岩机械手看作闭链机构 ,再选择相应的运动关节确定钻臂的空间位置 ,从而简化了计算的难度 ,可快速、精确地求解机械手的各关节变量值 .

双三角钻臂及其液压系统的建模与参数估计

双三角钻臂具有结构紧凑、运行平稳、凿岩无盲区等优点 ,被凿岩机器人所采用 .为了控制钻臂 ,对轨迹进行跟踪和精确定位 ,要求建立钻臂及其液压系统的数学模型 .然而 ,该系统十分复杂 ,具有非线性和快时变的特点 ,要建立其精确的模型很困难 ,也没有必要 .作者从液压系统的流量方程、连续性方程和力平衡方程入手 ,对双三角钻臂及其液压驱动系统机理建模 .在建模过程中 ,忽略一些对模型精度影响不大的次要因素 ,获得了系统的简化模型 .通过对钻臂的结构和受力进行分析 ,导出了模型中的参数、液压缸负载力的估算公式和估算方法 。

基于机器人化掘支锚联合机组的折叠式钻车钻臂工作空间分析

针对现有掘进工艺仍然存在掘支比例失衡和掘进效率低下导致的掘进工作面安全事故频发等问题,提出了机器人化掘支锚联合机组及工艺,介绍了该机组的组成和工作原理,阐述了该机组中折叠式钻车钻臂的结构及运动学建模,并对该折叠式钻车钻臂的工作空间进行了详细的分析。通过对钻车钻臂关节参数进行反解,验证了该折叠式钻车钻臂能够满足实际工作的位置和姿态要求,为实现井下少人、无人化掘进作业奠定了基础。

钻臂空间液压自动平行机构的平行机理

对钻臂空间液压自动平行机构的平行机理进行了理论分析论证。文中指出，只能对由前后变幅机构构成的二空间多面体相似时的初始位五实现无误差平行移动，对其它初始位置只能实现近似的平行移动。

海洋钻井平台折臂起重机设计

钻杆自动排放对提高海上石油钻井作业安全性及降低作业成本有重要作用,甲板钻杆起重是海洋钻井平台钻杆自动排放的首道工序。介绍了所设计的折臂起重机总体机械结构组成、工作原理、主要技术参数和液压系统原理,并对该液压系统特点进行了分析。设计的折臂起重机用于甲板钻杆起重,具有结构紧凑、操作灵活可靠、覆盖空间范围大等优点,适合深水半潜式钻井平台及钻井船甲板钻杆自动抓放操作。

以ADAMS为平台的旋挖钻机变幅机构变幅油缸举升力仿真分析

介绍旋挖钻机变幅机构的主流结构形式及其工作原理,并借助Pro/E建立变幅机构的三维模型,再导入ADAMS建立动力学仿真模型。在ADAMS虚拟环境中,对变幅机构两组变幅油缸在不同运动顺序下的举升力分别进行仿真,给出两组变幅油缸举升力的仿真曲线,并分析仿真结果,得出对旋挖钻机变幅机构设计具有指导性的一些结论。

海洋钻井平台折臂式抓管机设计与试验研究

折臂式抓管机是管柱处理系统中的关键设备,属于自动化、智能化高端装备产品,其技术长期被欧、美等发达国家所垄断。鉴于此,对海洋钻井平台管柱堆场折臂式抓管机进行了结构设计和性能试验。以具有夹持、压紧、调平和旋转功能的吊爪为夹具,以基座式安装的折臂吊为载体,在折臂吊末端通过插销悬挂吊爪,通过遥控实现管柱机械化吊运。试验结果满足管柱吊运机械化及运动平稳的要求,效率与人工相当。设计的折臂式抓管机性能与国外同类设备相当,可推广到海洋钻井平台上进一步进行工业性试验研究。研究方法可为类似设备的研制提供设计和试验思路。

多功能锚杆钻机钻桅和动臂的有限元分析

为研究和改善多功能锚杆钻机钻桅和动臂的力学性能,采用SolidWorks对钻机工作机构进行建模,并对钻桅和动臂的受力情况进行计算,最后通过SolidWorks Simulation对钻桅和动臂模型进行有限元分析.研究结果表明:钻桅和动臂的应力安全系数均在2以上且最大位移值在安全范围内;钻桅箱体与滑轨焊接处需要加强;钻桅变幅油缸与动臂连接铰耳处筋板需要加强.将有限元分析方法应用于多功能锚杆钻机设计,为产品研发与优化提供了重要依据.

双臂凿岩机器人离散任务规划

探讨了一种实现基于个体的双臂凿岩机器人离散、随机任务合作规划的方法。用统计方法对凿岩机器人两机械臂进行任务划分,以机械臂完成离散随机任务的最短空间移动距离为优化目标函数,将任务合作规划简化为一个具有三角属性的双TSP问题的组合;用解决TSP问题的近似算法求解得到两机械臂任务规划的哈密尔顿回路;针对哈密尔顿回路中的交叉网络采用动态规划的方法进行合理优化,从而得到凿岩机器人的较优任务规划序列。算法的时间效率为0(n2),其任务规划的最短距离代价比近似算法平均优化15%。

凿岩机器人钻臂平行联动机构的机理建模

从液压系统的基本方程入手 ,对凿岩机器人钻臂平行联动机构进行了机理建模。在建模过程中 ,忽略对模型精度影响不大的一些次要因素 ,获得了系统的简化模型 ,为实现钻臂的轨迹跟踪和精确定位控制创造了条件。

摆臂式锚杆钻车臂架结构设计及有限元分析

锚杆钻装设备是锚杆支护施工中的关键设备。锚杆钻装设备的有效使用直接影响巷道的支护质量、支护效果以及成巷速度。为提高巷道的掘进效率和锚杆钻车的工作稳定性,设计一种新型双臂摆臂式液压锚杆钻车,实现巷道内较大作业空间、灵活钻装和持久耐用的功能。首先运用Pro/E完成臂架结构的三维模型,之后运用ANSYS Workbench对锚杆钻车臂架在危险工况下进行有限元分析,最后完成对钻车臂架结构强度和刚度的校核。结果表明双臂臂架结构设计合理,为臂架结构强度、刚度的设计提供了可靠的理论依据。

双三角钻臂直接定位自适应预测控制

针对复杂非线性系统控制中闭环预测存在的缺陷,提出了一种适合于一般非线性系统的非齐次时变线性模型,给出并证明了其存在性定理,推出了基于该类模型的自适应预测控制算法;引入直角坐标系和斜角坐标系来描述双三角钻臂的结构和运动特性,通过坐标变换,根据给定的钻臂目标运行轨迹对各液压缸的运行速度作出决策,采用自适应预测控制策略控制其运行速度;在原有双臂凿岩台车的基础上研制了一套完整的凿岩台车两级计算机控制系统,应用上述方法实现了双三角钻臂轨迹跟踪直接定位控制。

自适应模糊PID的锚杆钻机钻臂摆角控制

针对传统锚杆钻机的钻臂摆角控制精度偏低,锚杆安装易发生偏差等不足,设计了自适应模糊PID的钻臂摆角控制方法。将钻臂摆角误差及误差变化率作为PID的输入,经模糊化、模糊推理和解模糊等处理步骤对PID参数进行实时整定,从而提高摆角控制的精度。Simulink仿真测试验证并对比传统PID控制,自适应模糊PID控制器对于钻机钻臂摆角控制动作精度更高,用时更短,负载突增情况下无超调情况,响应速度更快更精准,系统鲁棒性增强,对液压锚杆钻机钻臂摆角控制的研究有一定的指导意义。

凿岩机器人三角钻臂的运动研究

针对凿岩机器人三角钻臂精确运动控制困难的问题,对三角钻臂的机械结构进行了运动解耦分析。首先通过D-H坐标系法建立了多关节闭链钻臂的完备运动学方程,构建了三角钻臂运动位置与支臂油缸长度的数学模型;随后基于三角钻臂特定结构约束下的运动特点,利用空间几何解法,构建了相对简单的运动数学模型,同时在此基础下提出了三角钻臂运动的一般控制流程;最后结合具体实例分析两种不同模型下的计算结果并与相同条件下的三角钻臂三维模型的测量结果进行了相互验证。研究结果表明:运动解耦分析所建立的运动数学模型正确性得到了验证,这可以为钻臂的精确定位控制打下基础。