【摘 要】
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搬运机器人是一种集自动行走、识别、抓取、搬运和码放多功能于一体的复合型机器人,由于其研究难度大、研发周期长,目前在煤矿领域的研究和应用尚处于技术薄弱和产品空白阶段。近年来,随着国家大力推进煤矿智能化建设和加快发展煤矿机器人技术,井下搬运机器人作为研究的重点被提上日程。通过在煤矿井下应用搬运机器人,一方面可以解决转载过程中用工多、效率低等问题,另一方面也可以优化井下搬运模式,加快煤矿辅助运输系统连续
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搬运机器人是一种集自动行走、识别、抓取、搬运和码放多功能于一体的复合型机器人,由于其研究难度大、研发周期长,目前在煤矿领域的研究和应用尚处于技术薄弱和产品空白阶段。近年来,随着国家大力推进煤矿智能化建设和加快发展煤矿机器人技术,井下搬运机器人作为研究的重点被提上日程。通过在煤矿井下应用搬运机器人,一方面可以解决转载过程中用工多、效率低等问题,另一方面也可以优化井下搬运模式,加快煤矿辅助运输系统连续化和智能化发展。本文面向煤矿井下巷道特殊场景,基于标准化辅助运输理念,主要从机器人结构设计与轨迹规划控制等层面开展了煤矿井下搬运机器人设计及智能控制关键技术研究。首先基于“井下巷道间转运”与“工作面最后1km搬运”两种典型搬运场景以及综采工作面日常物资消耗,制定了机器人井下标准化搬运策略,设计了与搬运机器人配套使用的标准化载物平台与装载容器。其次,根据容器的结构特点,从机械臂、铲叉和底盘三个方面对搬运机器人进行机械结构设计,并利用有限元方法对关键部件的刚度与强度进行了分析与校核。再次,根据巷道间转运工况与采煤工作面最后1km路况,制定了搬运机器人自主行走的行车策略,设计了机器人自主行走路径规划系统方案;针对传统A*算法搜索点多、路径不平滑问题,分别使用指数函数加权与B样条曲线平滑处理,提出了基于“改进A*”的全局路径规划算法,仿真结果表明:改进后的A*算法搜索效率得到了提升、规划出的路径更加平滑;针对全局算法无法避障的问题,引入DWA算法用于局部路径规划,制定了基于改进A*与DWA局部规划的组合式路径规划策略;在实验室,搭建搬运机器人模型车和模拟巷道场景,开展了机器人自主行走试验,结果表明:在两种模拟井下典型搬运场景下,搬运机器人均能稳定地自主行走和自动避障,实现了无碰撞安全抵达目的地,验证了路径规划组合算法的可靠性。最后,分析煤矿井下狭窄巷道空间内的物料转运特点,制定了搬运机器人井下自主搬运策略;设计了机器人自主转运系统方案,提出了基于S型曲线插补与圆弧轨迹平滑自主转运轨迹规划算法;在仿真时,为简化运算量,预先设计了矩形装卸载轨迹,并用S型曲线进行轨迹插补,仿真结果表明:整个轨迹插补的运动速度、加速度均能无突变且被控制在合理范围内;进一步,在实验室搭建模拟巷道典型转运场景,按照预设轨迹调整试验参数,开展了搬运机器人自主转运模拟试验,结果表明:机器人在装卸过程中运动平稳,轨迹符合预期,实现了稳定可控的自主转运,验证了S型平滑插补算法的可靠性。该论文共有图79幅,表20个,参考文献99篇
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