礦用鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

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摘要：針對朱家峁煤礦工作條件惡劣、人工換桿強(qiáng)度大等難題，基于機(jī)器視覺及工業(yè)機(jī)器人，設(shè)計(jì)了鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，對鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)組成進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，對機(jī)械手抓取鉆桿的受力進(jìn)行有限元分析；基于MATLAB對機(jī)器人抓取鉆桿的路徑及抓取精度進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以保證鉆桿搬運(yùn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)；視覺；有限元；MATLAB

0引言

近年來出現(xiàn)了各種各樣的煤礦鉆桿機(jī)構(gòu)，以滿足不同地質(zhì)煤炭開采的需求。鉆桿在作業(yè)時(shí)，往往根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行換桿操作，此時(shí)需要人工搬運(yùn)，考慮到井下工況復(fù)雜，存在各種安全隱患。為了提高換桿工作的自動(dòng)化及智能化水平，國內(nèi)外學(xué)者對鉆桿搬運(yùn)機(jī)構(gòu)開展了大量的研究，取得了顯著成效?；诒姸鄬W(xué)者對機(jī)器視覺及機(jī)器人的研究，設(shè)計(jì)了鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鉆桿搬運(yùn)的自動(dòng)化，為煤炭開采的智能化及安全性等方面的提升提供參考。

1鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)組成

工業(yè)機(jī)械臂在航空航天、航海、電子設(shè)備、機(jī)床、礦山冶金、交通運(yùn)輸、機(jī)械等方面得到廣泛的應(yīng)用。鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)主要是借助工業(yè)相機(jī)對鉆桿進(jìn)行識(shí)別，通過工業(yè)機(jī)械臂進(jìn)行鉆桿的安裝與卸載，為鉆桿的搬運(yùn)提供了巨大便利，同時(shí)解放了生產(chǎn)力，保障了人員的生命安全。設(shè)計(jì)的鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)組成如圖1所示。工業(yè)機(jī)械臂由六軸機(jī)械臂及控制系統(tǒng)組成。工業(yè)機(jī)器人首先通過視覺系統(tǒng)識(shí)別需要搬運(yùn)的鉆桿，在控制系統(tǒng)的智能控制下通過機(jī)器人抓手進(jìn)行一系列動(dòng)作，抓取完成后在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對鉆桿的自動(dòng)搬運(yùn)。

2鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件主要由上位機(jī)、底層硬件設(shè)備組成。上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)接收視覺傳感器的圖像信息進(jìn)行圖像處理、目標(biāo)識(shí)別與定位、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等。底層硬件設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括負(fù)責(zé)采集目標(biāo)圖片信息的視覺傳感器、負(fù)責(zé)抓取的機(jī)械臂、負(fù)責(zé)控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂控制器以及負(fù)責(zé)控制器與上位機(jī)之間信息傳遞的通信模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。視覺機(jī)械臂控制系統(tǒng)在執(zhí)行識(shí)別抓取任務(wù)時(shí)，依據(jù)執(zhí)行功能的不同將整個(gè)系統(tǒng)劃分為視覺識(shí)別系統(tǒng)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。視覺識(shí)別系統(tǒng)中的圖像傳感器采集傳輸圖像信息，上位機(jī)借助視覺系統(tǒng)軟件進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取、識(shí)別定位等處理最終得出目標(biāo)的位置信息。整個(gè)視覺識(shí)別系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

3仿真分析

（1）基于ANSYS的有限元分析機(jī)械手的抓取是實(shí)現(xiàn)鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)的重要過程。利用SolidWorks軟件建立鉆桿機(jī)械手的三維模型，將模型保存為.x_t格式，導(dǎo)入到ANSYS軟件中。由于機(jī)械手的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格大小為10mm，機(jī)械手的材料為45鋼，其彈性模量210GPa、泊松比0.3、屈服極限355MPa。機(jī)械手抓取鉆桿過程中，當(dāng)機(jī)械手收縮處于極限時(shí)，此時(shí)鉆桿對機(jī)械手作用力最大，機(jī)械手有斷裂的危險(xiǎn)，因此在此狀態(tài)下對機(jī)械手施加1000N的水平力進(jìn)行有限元分析。經(jīng)過ANSYS計(jì)算得到機(jī)械手在鉆桿作用下的變形情況如圖4所示。由計(jì)算結(jié)果可知機(jī)械手部分的最大位移量約為0.3mm，此變形量很小，可以忽略不計(jì)，因此可認(rèn)為機(jī)械手的相對變形量很小，不會(huì)影響鉆桿的移送工作。計(jì)算得到機(jī)械手的應(yīng)力分布如圖5所示。從圖5可以看出，機(jī)械手的部分聯(lián)接件的應(yīng)力較小，不超過17MPa。處于鉸鏈及其聯(lián)接孔周圍的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力達(dá)到150.27MPa，根據(jù)第四理論強(qiáng)度可以得出最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，驗(yàn)證了機(jī)械手抓取鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，滿足實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的需要。（2）基于MATLAB運(yùn)動(dòng)仿真根據(jù)上文設(shè)計(jì)的鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，基于MATLAB對機(jī)器人抓取鉆桿的過程進(jìn)行研究，對機(jī)器人抓取鉆桿的路徑及抓取精度進(jìn)行仿真分析，如圖6所示，能清楚地觀察到末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)所得結(jié)果判斷鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理。路徑是與時(shí)間無關(guān)的，它是連接物體運(yùn)動(dòng)的起始位置到終點(diǎn)位置的直線或者曲線。由圖6（a）可知，機(jī)器人的抓取路徑為圓弧曲線，隨著時(shí)間的推移開始呈現(xiàn)有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。由圖6（b）可知，開始時(shí)機(jī)器人抓取誤差開始增加，1s后誤差逐漸減小，之后趨于平緩，在3s后抓取誤差基本保持不變。因此鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的抓取路徑及抓取精度滿足實(shí)際使用需求。

4結(jié)語

針對煤礦工作條件惡劣、人工換桿勞動(dòng)強(qiáng)度大等難題，結(jié)合現(xiàn)有控制方法及機(jī)器人常規(guī)化的在各行各業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，以鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)為研究對象，設(shè)計(jì)了鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，對其組成進(jìn)行分析，對機(jī)械手抓取鉆桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，基于MATLAB對機(jī)器人的抓取路徑及抓取精度進(jìn)行仿真分析，為鉆桿自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、精度提高等方面提供重要的參考。

作者:萬祖保 李偉 馬國芳 單位:陜西中太能源投資有限公司 青島地鐵集團(tuán)有限公司