窄机身锚钻机器人静力学特性对锚入深度的影响研究

窄机身锚钻机器人作为行业特有的狭小作业面快速掘进专用设备,其工作主体结构在推进凿岩作业时受到反向推力作用,导致工作平面内的锚入深度受到不同程度的影响。为此研究了窄机身锚钻机器人锚钻作业时的静力学特性,明确了不同锚钻角度下结构的静变形对锚杆锚入深度的影响,用以提高设备的锚钻作业精度与工作效率。

应用鲸鱼智能优化算法的钻锚机器人控制定位

为了解决钻锚机器人控制定位误差大的问题,提出了应用鲸鱼智能优化的钻锚机器人精确控制定位方法。根据钻锚机器人的运动结构,对各个关节运动范围标定,建立钻锚机器人运动数学模型。分析钻锚机器人前移控制和后移控制误差产生原因,计算前移控制和后移控制的距离差值。基于分数阶微积分控制器控制定位误差,利用鲸鱼智能优化方法寻找最佳控制参数,搜索个体和最优解向量,通过空间维度映射迭代优化获得最优控制定位结果,实现精准控制定位。测试结果证明所提方法能够保证钻锚机器人控制误差迭代速度较快,误差较小,可以进一步提升钻锚和挖掘精度。

钻锚机器人机械臂轨迹规划方法研究

为了提高煤矿巷道支护效率,以6自由度钻锚机器人机械臂为研究对象,提出了基于改进灰狼优化算法的机械臂时间最优轨迹规划方法。首先,通过D-H参数法建立了机械臂运动学模型,使用蒙特卡罗法对机械臂进行工作空间分析,并利用MATLAB软件对机械臂进行仿真验证;其次,利用分段多项式插值法对机械臂进行关节空间轨迹规划;最后,提出一种改进灰狼优化算法并测试其性能,在轨迹规划基础上,对机械臂进行时间优化。结果表明,钻锚机器人机械臂满足煤矿巷道锚护作业要求;3-5-3分段多项式插值法可以更好地实现机械臂的平稳运行;机械臂在满足约束条件下到达预定轨迹点所消耗的时间减少了30.40%~50.28%,优于传统的轨迹规划方法。

任务空间内钻锚机器人掘进避障距离控制

针对钻锚机器人在狭窄掘进任务空间中掘进容易与非煤壁、其他意外障碍物物体产生碰撞,出现安全隐患的问题,提出任务空间内钻锚机器人掘进避障距离控制方法。通过激光雷达视觉获取障碍物信息,将框架轮廓底边中心作为障碍物测距点,确定障碍物位置信息,基于D-H参数坐标系,进一步确定钻锚机器人在当前状态下的掘进位姿。根据确定结果,构建钻锚机器人掘进避障控制模型,利用该模型实时检测钻锚机器人与障碍物之间的距离关系,并设定门限值,判断距离信息是否超过门限值,若超过则需要调整钻锚机器人位姿,若没超过则继续向前掘进,从而实现钻锚机器人掘进避障控制。实验结果表明:所提方法的避障距离控制和避障控制效果好,避障成功率高于90%,控制时间低于90ms,验证了该方法的有效性。

钻锚机器人定位性能试验台设计与研究

为满足锚杆支护自动化中钻锚机器人工作大臂的定位精度要求、提高设备在井下使用可靠性,设计了一种钻锚机器人工作大臂定位性能试验台。该试验台主要包括模拟巷道、大臂定位系统、模拟钻架、视觉识别系统和液压伺服系统,能够实现对钻锚机器人动作平顺性、孔位识别、精确定位等关键技术和性能的测试,为解决锚杆支护自动化“卡脖子”技术问题获得重要基础数据,有利于加快煤矿巷道锚杆支护的智能化、无人化建设。

多机械臂多钻机协作的煤矿巷道钻锚机器人关键技术

针对煤矿巷道掘进智能化进程中存在的“掘快支慢”难题,总结分析了国内外快速掘进钻锚技术和装备以及类似多任务多机械臂控制技术的研究现状,指出研发具有多机械臂多钻机协作的煤矿巷道钻锚机器人是破解永久支护难题的重要发展方向。提出了多机械臂多钻机协作的钻锚机器人基本方案,凝练了影响钻锚机器人性能的“有限时空多机械臂与多钻机布局优化、面向装卸任务的机械臂姿态控制、复杂受限空间机械臂最优轨迹规划和多机械臂多钻机智能协同控制”四大关键技术,并给出了解决思路和方法。针对在有限时空约束下钻锚机器人结构布局优化问题,构建了钻锚机器人配置优化模型,提出了时空最优的钻锚机器人多机械臂与多钻机结构布局方案,旨在提高钻锚效率的同时获得最优空间布局;针对机械臂与钻机协同位姿控制问题,提出了基于机器视觉和强化学习的机械臂抓取与布放控制方法,旨在提高机械臂末端位姿控制精度,实现精准装卸物料作业;针对复杂受限空间机械臂最优轨迹规划问题,建立了机械臂多目标轨迹优化模型,提出了基于随机采样与包围盒相结合的机械臂防碰撞轨迹优化方法,旨在保证机械臂在搬运过程中安全、可靠、高效运行;针对钻锚机器人多机械臂与多钻机并行协同控制问题,构建了以工序时长最短为目标的时间协同任务分配模型,通过求解得到最优任务指派矩阵和多机械臂相交任务轨迹的优先级,并提出了在所有机械臂无碰撞运动的同时收敛于期望轨迹的分布式协同控制策略,旨在实现钻锚机器人多机械臂多钻机系统的智能协同控制和并行作业。多机械臂多钻机的钻锚机器人及其关键技术研究,对于创新研发高性能、高效率、高可靠、高智能的煤矿巷道钻锚机器人,确保煤矿巷道安全、高效、绿色智能掘进具有十分重要的意义。

钻锚机器人钻臂轨迹规划方法研究

为提高煤矿巷道支护效率,改善掘进工作面自动化智能化程度,设计了一种集成悬臂式掘进机和六自由度机械臂的钻锚机器人,研究了钻锚孔孔序规划策略及钻臂轨迹规划方法。首先,基于改进的DH方法建立机械臂结构的运动学模型,分析其运动学正解和逆解,解算钻机空间位姿及对应的关节变量值;其次,基于蒙特卡罗随机数方法分析机械臂运动空间,求解双机械臂运动范围;基于钻锚作业工艺要求提出一种钻锚孔孔序规划策略,在不同条件下两机械臂按照一定锚固顺序完成顶板锚固作业任务;最后,基于五次多项式插值方法完成机械臂轨迹规划,以实现钻臂快速平稳达到目标位置。仿真结果表明,钻锚机器人能满足宽×高为6000mm×4500mm范围内的巷道支护要求,基于该孔序规划策略和钻臂轨迹规划方法,两钻机在进行顶板锚固作业任务时能有效避免干涉,实现准确、平稳运动至锚固点,完成锚固任务。研究结果为发展自动支护和智能掘进提供了一种思路和方法。

煤矿井下钻锚机器人布网单元设计与仿真

针对现有煤矿井下巷道成型永久支护速度慢、效率低、危险性系数较高、人员参与较多等问题,论文提出了一种钻锚机器人,并对其布网单元进行设计,通过SolidWorks对其进行三维建模,并对关键部件的受力情况在ANSYS中进行有限元分析计算;在ADAMS中建立了钻锚机器人布网单元简化样机模型,并对其抓网、运网动作进行运动学仿真分析。结果表明:钻锚机器人布网单元整体结构设计合理,满足支护片网单张稳定抓取、移动、顶放姿态要求,且布网单元机械手的关键部件符合刚度、强度要求。

基于多传感器组合的钻锚机器人机身定位方法研究

针对目前煤矿钻锚作业仍以人工为主,作业强度大、环境恶劣且效率低的问题,为提高效率、保障工人生命安全,研发了煤矿钻锚机器人以提升钻锚作业自动化水平。针对工况环境下的钻锚机器人机身定位困难、干扰大、精度低、效率低等问题,提出了一种基于激光测距传感器和激光雷达的组合传感器定位方法。根据钻锚作业需求,研究基于分布式激光测距传感器的钻锚机器人与掘进工作面之间的距离信息,建立"机器人-工作面"定位模型,解算钻锚机器人前移过程中与掘进工作面的位置关系;以机器人后端顶部锚杆为目标,利用激光雷达扫描获取锚杆与钻锚机器人的动态点图信息,建立"机器人-锚杆"定位模型,解算钻锚机器人后移过程中与锚杆的空间位置关系。搭建组合定位系统,通过样机试验验证表明:"机器人-工作面"定位模型距离误差≤10 mm,偏航夹角误差≤1°;"机器人-锚杆"定位模型距离误差≤20 mm,偏航夹角误差≤1.5°,可以实现煤矿巷道钻锚机器人机身自动、准确、实时的定位目标。

煤矿钻锚机器人自动钻锚单元的设计与仿真分析

针对煤矿井下巷道掘进作业中锚杆支护环节存在的人工操作频繁、支护效率低等问题,研究设计了一种结构简单的煤矿钻锚机器人,提出一种自动钻锚单元。利用Solidworks三维建模软件构建钻锚单元中的钻锚装置和自动上料(锚杆)库模型,将建好的模型导入仿真软件ADAMS中,并且添加相应的约束和驱动等,通过对该模型进行运动学仿真分析,得出关键部件的运动学特性曲线,验证结构设计的合理性和可行性,为钻锚机器人的运动控制及其结构的优化设计提供参考依据。

钻锚机器人与掘进机会车防碰撞预警方法研究

针对钻锚机器人与掘进机会车易发生碰撞的问题,提出了一种多传感器融合的会车防碰撞预警方法。通过在钻锚机器人机身内外两侧安装多个超声传感器,实时检测其与掘进机、煤壁的距离关系,实现碰撞检测与预警。同时针对因工作人员以及其他因素引起系统误报警的问题,根据掘进机与其他物体宽度不同,剔除无效报警信息,并利用D-S证据理论融合多个超声传感器信息,提高掘进机宽度检测精度。搭建了会车防碰撞试验平台,并进行了试验测试。试验结果表明:传感器碰撞检测误差不超过15 mm,多传感器融合检测掘进机宽度误差不超过28 mm,在50次工作人员从钻锚机器人内部穿行测试中,无误报发生。

履带式钻锚机器人行驶速度控制系统建模与仿真

受各种内阻力和路面情况等因素影响,履带式钻锚机器人在行驶过程中会出现行驶速度不能及时达到所调节速度的现象。为提高履带式钻锚机器人速度控制效果,对速度控制技术进行研究。介绍履带式钻锚机器人速度控制原理与过程,分别设计PID控制和模糊PID速度控制方法,最后在MATLAB/Simulink中通过仿真验证2种速度控制效果。仿真结果表明:后者控制效果更好。该研究能够为钻锚机器人自主或遥控行走控制系统的研究提供理论和应用基础,在其他履带车辆中也具有一定的实际应用价值和参考意义。

复杂地质条件煤矿巷道多履带钻锚机器人运动学研究

针对复杂地质条件煤矿巷道存在的掘快支慢难题,提出一种集钻、护、锚于一体的多履带钻锚机器人群。依据巷道支护需求,设计钻锚机器人本体结构、钻机布置以及支护工艺,完成钻锚机器人三维建模;基于D-H法建立钻锚机器人钻机运动学模型,分析并求解顶板钻机与侧帮钻机正运动学解和逆运动学解,仿真得到钻机可支护区域的点状云图、末端运动轨迹等。结果表明顶部与侧帮钻机支护作业中能够避免钻机与机器人本体之间的干涉,实现准确、平稳运动至待支护位置,具有较强的稳定性和可靠性。

复杂地质条件煤矿巷道龙门式钻锚机器人研究

针对煤矿巷道掘进工作面地质条件复杂、空间受限、掘锚装备自动化程度低、掘进效率低等问题,提出一种全新的履带式龙门钻锚机器人,并对其进行可靠性分析,通过SolidWorks对其进行三维建模,利用ANSYS对关键零部件进行有限元分析计算;深入研究龙门式钻锚机器人的振动特性,获得前6阶固有频率,并对其振型进行了分析。结果表明:龙门钻锚机器人整体结构设计合理,刚度和强度符合要求,具有较强的稳定性和可靠性。

钻锚机器人人机安全避碰方法

为解决快速掘进系统中钻锚机器人无法实时监测辅助人员的运动,导致钻机与辅助人员可能发生非期望碰撞的问题,从钻锚机器人控制系统角度出发,提出一种钻锚机器人人机安全避碰方法。首先,基于深度视觉实时获取人体骨骼点图构建辅助人员球扫掠凸体碰撞检测模型,基于钻锚机器人三维模型构建钻机球扫掠凸体碰撞检测模型,并使用深度视觉传感器与钻机行程及角度传感器获取的数据实时更新辅助人员和钻机的碰撞检测模型;其次,针对钻锚作业中多人多钻机的碰撞检测,使用基于层次包围盒的碰撞检测方法在粗略的碰撞检测阶段实时检测与辅助人员距离最近的钻机及最短距离,当最短距离小于安全阈值时进入精细碰撞检测阶段实时计算辅助人员与该钻机的最短距离;然后,在钻机末端建立基于人工势场的虚拟排斥力,当钻机与辅助人员的最短距离小于安全阈值时,钻机末端产生虚拟排斥力,钻机进行避碰运动;最后,通过钻锚机器人人机安全实验验证了该方法的有效性和安全性。结果表明:在钻锚作业中钻机与辅助人员最近距离为0.10 m,大于发生碰撞的最短距离,所提方法可以确保钻机不与辅助人员发生非期望碰撞。

基于WOA-FOPID算法的钻锚机器人机械臂运动控制研究

钻锚机器人是实现煤矿综掘智能化的重要装备,其机械臂的控制效果直接影响钻锚机器人支护作业的安全性和高效性。钻锚机械臂的控制通常采用PID控制器,但在环境恶劣、煤层复杂的工况下,PID控制器的参数选择对控制效果影响较大,且由于受整数阶PID控制算法和传统经验调参的限制,难以在短时间内找到控制效果最好的一组参数,导致机械臂末端不能及时准确定位。基于机器人技术、分数阶控制技术和智能优化算法,采用数值建模与仿真分析相结合的方法,利用鲸鱼算法(WOA)对分数阶FOPID控制器进行参数整定并应用于机械臂的运动控制。基于旋量理论利用D-H法建立机械臂关节坐标系及坐标变换矩阵表达式,采用蒙特卡洛算法求解机械臂工作空间点云图;基于独立关节控制理论利用Matlab-Simulink软件,并结合分数阶FOPID控制技术,搭建机械臂关节处液压马达/油缸单输入-单输出系统模型。基于遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)、鲸鱼算法(WOA),搜索算法(GPS)4种智能优化算法,从标准方差、超调量、稳定时间3个动态指标进行对比,分析液压马达/油缸的不同控制组合策略下阶跃影响的效果。通过仿真分析验证了鲸鱼算法(WOA)对整定FOPID参数的有效性。研究工作为无人钻锚机械臂精准定位和自动支护奠定了理论基础,同时也为相关运动控制策略设计提供了参考。

煤矿钻锚机器人钻锚工艺及优化研究

煤矿巷道掘进长期存在着采掘失调的情况,为此研发了一种与截割系统配套使用的钻锚机器人,提出了一种钻锚机器人钻机布局及钻锚作业工艺方法。以均匀分配为原则,以各钻机的钻锚时间与工作时间的标准差最小为目标,确定了钻机最优数量、布局及其对应的钻锚作业任务,实现了截割与钻锚的并行作业任务。通过1a多的煤矿井下应用验证了煤矿钻锚机器人钻锚工艺及优化方法的正确性及可靠性。

煤矿钻锚机器人控制系统设计

针对目前煤矿井下巷道掘进作业中锚杆支护环节存在的人工操作频繁、支护效率低等问题,研究设计了一种结构简单的煤矿钻锚机器人。主要设计了钻锚机器人的控制系统,选用罗克韦尔Compact Logix系列MicroLogix 1100控制器,融合多传感器技术,通过工业以太环网EtherNet实现机器人本地遥控控制和远程人机交互控制。对钻锚机器人控制系统进行硬件选型配置和软件设计,实现钻锚机器人自动控制。为煤矿井下钻锚设备智能化研究提供设计依据。

煤矿钻锚机器人Kinect视觉系统三维重建

针对煤矿钻锚机器人工作环境粉尘大、光线差、低照度等问题,迫切需要钻锚机器人对复杂环境实现感知、认知。采用Kinect构建钻锚机器人三维视觉系统,并融合彩色二维成像,将二维的滤波方法引入到三维滤波降噪中,解决Kinect应用过程中深度图像噪声及差值建模误差大的问题,实现井下巷道三维重建,为钻锚机器人远程导航提供技术支持。

煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法

煤矿巷道掘进长期存在的“采快掘慢”“掘快支慢”顽症,尤其是掘进工作面装备成套化、自动化、智能化程度偏低、顺序作业工艺技术落后等问题,严重影响生产接续和安全高效开采。对此,研发了护盾推移式煤矿巷道掘进机器人系统成套装备,提出了一种煤矿巷道掘进机器人系统智能并行协同控制方法。首先,结合掘进机器人系统与巷道的耦合关系,分析了掘进机器人系统中各个子系统之间的相关性以及多任务之间的相互影响机理,得出了决定掘进效率的关键因素在于截割机器人和钻锚机器人的并行协同控制;其次,针对钻锚机器人各钻机之间的时空关系,构建了多钻机多任务协同钻锚作业数学模型,获得了钻机布置排距、排数及其各排钻锚任务数,同时使用优化组合的方法进行求解,并对计算结果通过安全距离最大原则进行优化,获得了钻锚机器人各排钻机最佳时空匹配策略;最后,通过钻锚机器人系统并行协同控制仿真和实验,证明了该方法的有效性;通过对掘进机器人工作时截割机器人与钻锚机器人的时序分析,得出优化后的钻锚机器人工作时间能够与截割机器人工作时间有效匹配,2者能够并行协同的完成截割和钻锚任务。该方法已经应用在团队研发的煤矿智能掘进机器人系统上,实现了多机器人系统的智能并行协同控制。具有智能并行协同控制的掘进机器人系统已经在大断面(6.50 m×4.25 m)、夹矸与片帮共存的巷道运行近10个月,经受了夹矸厚度达2.1 m、硬度f=5-7的严酷考验,日进尺突破50 m。