礦用鉆桿自動搬運系統(tǒng)設(shè)計淺析

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

關(guān)鍵詞：鉆桿自動搬運；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構(gòu)，以滿足不同地質(zhì)煤炭開采的需求。鉆桿在作業(yè)時，往往根據(jù)實際情況進行換桿操作，此時需要人工搬運，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化及智能化水平，國內(nèi)外學(xué)者對鉆桿搬運機構(gòu)開展了大量的研究，取得了顯著成效?；诒姸鄬W(xué)者對機器視覺及機器人的研究，設(shè)計了鉆桿自動搬運系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆桿搬運的自動化，為煤炭開采的智能化及安全性等方面的提升提供參考。

1鉆桿自動搬運系統(tǒng)組成

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

2鉆桿自動搬運系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)硬件主要由上位機、底層硬件設(shè)備組成。上位機是整個系統(tǒng)的控制中心，負責(zé)接收視覺傳感器的圖像信息進行圖像處理、目標(biāo)識別與定位、機械臂運動規(guī)劃等。底層硬件設(shè)備是整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，包括負責(zé)采集目標(biāo)圖片信息的視覺傳感器、負責(zé)抓取的機械臂、負責(zé)控制機械臂各關(guān)節(jié)電機運動的機械臂控制器以及負責(zé)控制器與上位機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。視覺機械臂控制系統(tǒng)在執(zhí)行識別抓取任務(wù)時，依據(jù)執(zhí)行功能的不同將整個系統(tǒng)劃分為視覺識別系統(tǒng)和機械臂運動控制系統(tǒng)。視覺識別系統(tǒng)中的圖像傳感器采集傳輸圖像信息，上位機借助視覺系統(tǒng)軟件進行圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取、識別定位等處理最終得出目標(biāo)的位置信息。整個視覺識別系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

3仿真分析

（1）基于ANSYS的有限元分析機械手的抓取是實現(xiàn)鉆桿自動搬運的重要過程。利用SolidWorks軟件建立鉆桿機械手的三維模型，將模型保存為.x_t格式，導(dǎo)入到ANSYS軟件中。由于機械手的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格大小為10mm，機械手的材料為45鋼，其彈性模量210GPa、泊松比0.3、屈服極限355MPa。機械手抓取鉆桿過程中，當(dāng)機械手收縮處于極限時，此時鉆桿對機械手作用力最大，機械手有斷裂的危險，因此在此狀態(tài)下對機械手施加1000N的水平力進行有限元分析。經(jīng)過ANSYS計算得到機械手在鉆桿作用下的變形情況如圖4所示。由計算結(jié)果可知機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，因此可認為機械手的相對變形量很小，不會影響鉆桿的移送工作。計算得到機械手的應(yīng)力分布如圖5所示。從圖5可以看出，機械手的部分聯(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)力達到150.27MPa，根據(jù)第四理論強度可以得出最大應(yīng)力值遠小于材料的屈服極限，驗證了機械手抓取鉆桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，滿足實際運動規(guī)劃的需要。（2）基于MATLAB運動仿真根據(jù)上文設(shè)計的鉆桿自動搬運系統(tǒng)，基于MATLAB對機器人抓取鉆桿的過程進行研究，對機器人抓取鉆桿的路徑及抓取精度進行仿真分析，如圖6所示，能清楚地觀察到末端執(zhí)行器的運動狀態(tài)，根據(jù)所得結(jié)果判斷鉆桿自動搬運系統(tǒng)的設(shè)計是否合理。路徑是與時間無關(guān)的，它是連接物體運動的起始位置到終點位置的直線或者曲線。由圖6（a）可知，機器人的抓取路徑為圓弧曲線，隨著時間的推移開始呈現(xiàn)有規(guī)律的運動。由圖6（b）可知，開始時機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。因此鉆桿自動搬運系統(tǒng)的抓取路徑及抓取精度滿足實際使用需求。

4結(jié)語

針對煤礦工作條件惡劣、人工換桿勞動強度大等難題，結(jié)合現(xiàn)有控制方法及機器人常規(guī)化的在各行各業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，以鉆桿自動搬運為研究對象，設(shè)計了鉆桿自動搬運系統(tǒng)，對其組成進行分析，對機械手抓取鉆桿的結(jié)構(gòu)進行有限元分析，基于MATLAB對機器人的抓取路徑及抓取精度進行仿真分析，為鉆桿自動搬運系統(tǒng)設(shè)計及優(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 青島地鐵集團有限公司