基于比例导引法的机械臂拣矸过程轨迹规划方法研究

为解决目前国内洗煤厂人工拣矸方式所存在的分拣效率低、工人健康危害大等问题,设计了一种煤矸分拣机器人,重点研究了其多矸石分拣优先级排序及机械臂拣矸过程运动轨迹规划问题。首先,基于优先抓取带式输送机上尺寸大、距离近并且与其它矸石重叠的矸石的规则,采用模糊逻辑推理方法构建了识别区域矸石的待抓取优先级排序模型,为机械臂有序、高效分拣矸石提供了合理的逻辑顺序;然后,为了解决带式输送机上矸石的机械臂动态跟踪轨迹规划问题,采用比例导引方法,建立了实现矸石匀速运动下的动态跟踪过程的机械臂运动轨迹规划模型,进一步采用增量比例导引法实现了矸石非匀速运动下的动态跟踪过程的机械臂运动轨迹规划;最后,基于Matlab工具对上述模型进行了仿真分析,验证了方法的可行性,为进一步进行机械臂拣矸控制关键技术的研究奠定了基础。     

基于多机械臂协同的煤矸分拣方法研究

针对目前主流的煤矸分选方法存在资源浪费大、环境污染重、分选效率低等问题,提出了一种多机械臂协同的煤矸分拣机器人,重点研究了该机器人的多动态目标多机械臂协同煤矸分拣方法。为了解决工业现场环境下的矸石识别问题,提出了一种基于深度学习网络的煤矸快速识别方法,实现了拣矸带式输送机上煤矸石流的实时识别,有效提高了其综合准确率;采用双目视觉技术,实时获取矸石的相对坐标和深度信息,并研究相应的三维信息误差分析与误差补偿方法,为机械手的煤矸分拣提供依据;为了实现分拣模块中多矸石的高效分拣,提出一种多动态目标多机械臂协同的煤矸分拣策略和相应的分拣流程,实现了机械臂矸石拣取轨迹的自主规划。试验结果表明:所提煤矸快速识别和定位方法对煤矸混合样本下的目标识别准确率达到76.92%;多臂协同分拣方式相对单臂方式显著提升了煤矸分拣效率。基于多机械臂协同的煤矸分拣机器人可实现煤和矸石的自动化和智能化分选,降低煤炭分选的投资和生产成本,提高煤炭质量。     

多机械臂煤矸石智能分拣机器人关键共性技术研究

依据我国煤矿智能绿色发展战略,深入分析了国内外智能拣矸系统的研究现状,指出研发适用于井下的多机械臂煤矸石智能分拣机器人是破解煤矸分拣难题的重要发展方向,凝练了直接影响和制约我国煤矸石智能分拣高质量发展的“煤矸石准确识别、精准跟踪和可靠抓取、多目标任务多机械臂协同分拣”三大关键共性技术难题,并给出了解决思路和方法。针对煤矿井下煤矸石被煤泥严重包裹识别难,提出了“X射线+视觉”煤矸石识别与匹配方法、基于点云数据的煤矸石抓取特征提取方法,实现目标矸石的快速识别和最优抓取特征提取;针对煤矸石形态各异、动态环境抓取难,提出了基于ORB+BEBLID特征的FLANN动态目标高效匹配方法、基于FDSST的动态目标精准跟踪方法、基于三环PID的机械臂同步跟踪轨迹规划方法,实现机械手对高速传输的动态矸石稳定抓取;针对煤矸石随机分布、障碍多、多机械臂任务分配难,提出了改进匈牙利算法的多机械臂动态空间协同分拣方法,确保系统收益的前提下实现多机械臂在动态空间中高效协同工作。现场工业性试验研究结果表明,针对三大关键共性技术所提出的方法能够有效破解煤矸石高效识别和抓取特征提取、机械臂动态目标同步跟踪稳定抓取、多机...     

基于余弦定理-PID的煤矸石分拣机器人动态目标稳准抓取算法

针对煤矿生产中煤矸石分拣问题,提出机器人分拣方案,并对机器人在跟踪和分拣煤矸石时出现延时、抖动、冲击、分拣速度低等现象进行了分析和讨论。通过分析发现,出现这些现象的主要原因是煤矸石属于大质量、快速移动分拣对象,同时决定了机器人机械本体具有较大的惯性负载,传统的跟踪算法由于较大的数据量不适于机器人对大质量、动态目标的快速跟踪与稳定抓取。针对该问题,结合实际工况以及不同追踪方法的优点,提出了基于余弦定理-PID的动态目标抓取算法。首先,利用梯形速度运动规律进行了轨迹规划,并建立了带有圆弧过渡的门字型轨迹;然后,对动态环境下的大质量、动态目标抓取问题建立了数学模型,并针对该数学模型提出了基于余弦定理-PID的动态目标抓取算法。该算法首先通过余弦定理计算出机器人理论抓取点,控制机器人快速到达理论抓取点后,再通过位置-速度双环PID算法控制机械臂末端与煤矸石进行同步。算法测试结果表明:该算法通过余弦定理计算出理论抓取点,能在很大程度上减小机械臂跟踪煤矸石时间,并使得机器人末端快速逼近目标,提高跟踪效率,并通过位置-速度双环PID算法控制机械臂末端与煤矸石进行同步,以保证机械手对煤矸石进行稳准抓取...     

SMA-电机复合驱动的救援机器人夹持器控制与研究

根据煤矿井下救援机器人末端执行器位置精度控制要求,设计SMA-电机复合驱动的夹持器,提出模糊控制和PID复合控制。首先设计了复合夹持器的结构,对防爆处理进行了研究,然后建立了夹持器的数学模型,设计了模糊控制器,并利用MATLAB建立系统模型和仿真研究。仿真结果表明,模糊PID控制策略应用于SMA-电机复合夹持器具有较好的控制效果,实现了救援机器人末端执行器的精准位置控制。     

基于RobotStudio的煤矸石视觉分拣系统仿真

为了提高视觉机器人系统在传统煤矸石分拣中的应用效率，提出一种基于RobotStudio的仿真方法，可以在离线状态下对不同的机器人运动算法、运行程序和执行轨迹进行仿真验证。结果表明，使用该仿真方法可以优化机器人运动节拍，减少现场调试作业时间，提高整体生产效率。     

智能采煤机器人关键技术

采煤机是综采工作面的核心装备,研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状,提出研发智能采煤机器人必须破解的“智能感知、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制、位-姿-速协同控制”五大关键技术,并给出解决方案。针对智能感知问题,提出了构建智能感知系统思路,给出了智能采煤机器人智能感知系统的架构,实现对运行状态、位姿、环境等全面感知,为智能采煤机器人安全、可靠运行提供保障;针对位姿控制问题,提出了智能PID位姿控制思路,给出了改进遗传算法的PID位姿控制方法,实现了智能采煤机器人位姿精准控制;针对速度控制问题,提出了融合“力-电”异构数据的截割载荷测量思路,给出了基于神经网络算法的截割载荷测量方法,实现了截割载荷的精准测量;提出牵引与截割速度自适应控制思路,给出了人工智能算法牵引与截割速度决策方法和滑模自抗扰控制的牵引与截割速度控制方法,实现了智能采煤机器人速度精准自适应控制;针对截割轨迹规划与跟踪控制问题,提出了截割轨迹精准规划思路,给出了融合地质数据和历史截割数据的截割轨...     

基于ANSYS的选矸机械爪动力学分析

为解决选矸过程中选矸机械臂抓取准确度因变形量过大导致选矸效率较低的问题，设计了一种框架式选矸机械爪来替代选矸机械臂。利用SolidWorks对机械爪进行建模，将设计好的结构导入ADAMS中，通过施加驱动函数得到各零件的速度，将数据结果导入ANSYS中作为约束条件进行仿真。结果表明：在工作中变形最大部位为基体与齿轮杆联接处，最大应力为25.344 MPa。此时最大变形量为4.663×10^-5mm，与现有选矸机械臂相比机械爪末端最大变形减少了79.12%。提高了机械爪抓取物体过程中的精确度。     

锚护机器人工作臂的时间最优轨迹规划

根据锚护机器人工作臂的作业效率和避障需求,设定了锚护机器人钻架的运动路径,然后使用4-3-3-3-3-3-4分段多项式插值得到工作臂各关节的运动轨迹,并提出自适应差分进化算法求解时间最优轨迹,结合运动学模型得到了钻架的运动路径。研究结果表明：得到的时间最优轨迹在满足工作臂的物理约束、作业效率和动作平稳性的同时保证工作臂和钻架不会与外界环境产生碰撞。     

大型运煤船航向自适应滑模控制器的设计

借助Lyapunov方法引入了参数的自适应律,并证明了该控制策略使得船舶运动非线性系统中所有信号有界,选取恰当的设计参数可以保证跟踪误差收敛到零。以某运煤船为例,在Simulink环境下进行仿真研究,仿真结果表明:所设计的控制器无论在标称参数下还是在参数摄动及存在外界扰动的情况下,都显示出较好的控制性能和较好的鲁棒性。     

全轮驱动铰接车稳定转向控制策略研究

为避免全轮驱动铰接车转向失稳和车轮打滑时驱动力降低的问题,提出一种满足铰接车运动特性的分层控制策略。该策略考虑驾驶员实际可操纵输入指令,上层控制基于2-DOF参考模型计算铰接车稳定行驶的期望横摆角速度和质心侧偏角,并通过PID控制器计算其稳定行驶所需的附加横摆力矩;下层控制通过改进基于滑移率的驱动力控制方法,提出满足总驱动力和附加横摆力矩的转矩分配控制策略,保证了铰接车稳定转向的同时具有足够的驱动能力。最后通过搭建的整车7-DOF动力学模型,通过MATLAB/Simulink仿真实验,将所提出分层控制策略与等转矩控制进行对比,验证了所提出的分层结构设计的铰接车稳定转向控制策略的有效性,能够提高铰接车转向行驶稳定性,降低能耗。     

局部任务坐标系下的轮廓运动控制研究

针对直线电机平台轮廓运动精确控制的难题,提出一种基于局部任务坐标系(LTCF)的自适应鲁棒控制(ARC)方法。通过坐标变换阵T将所建立的动力学模型变换到LTCF中,实现在笛卡尔坐标系下跟踪误差的解耦。利用自适应鲁棒控制器对建模误差的实时补偿,使系统快速稳定并保持较好的系统鲁棒性。将所设计控制方法与基于交叉耦合(CCC)的自适应鲁棒轮廓运动控制方法进行对比仿真实验,结果表明,所提控制方法具有更好的轮廓控制性能。     

滚筒螺旋叶片的激光熔覆中机械臂路径轨迹研究

装煤是采煤机螺旋滚筒叶片的主要功能,复杂煤层赋存条件和非线性冲击载荷会使其磨损加剧甚至失效,尤其是叶片的尾端和外缘部分,运用激光熔覆再制造的方法对磨损的叶片进行修复,可以提高使用寿命。针对激光熔覆实验中机械臂的路径轨迹,运用Matlab Robotics Toolbox建立机器人改进DH模型,用蒙特卡洛方法得到其工作空间点云图,用alphaShape()函数对点云进行包络处理,求解出工作空间的体积为27.021 7 m³,验证了改进DH建模的正确性,能满足对采煤机螺旋叶片激光熔覆的任务要求。对熔覆实验中机械臂的轨迹进行仿真分析,为叶片的激光熔覆实验做准备。应用运动学分析软件Admas模拟机械臂对叶片外缘螺旋曲线的增材过程,得出其各关节的运动学参数和驱动电机所需的转矩。在重力和末端负载的作用下,运动轨迹的突变使法兰盘出现数量级为10^-10的微小波动。将关节角时间序列导入SimMechanics中,作为驱动能控制机械臂做相同的螺旋曲线运动,验证了Adams中得到的关节角时间序列的驱动具有实际意义。对磨损最为严重的尾片磨损曲面特征进行分析,并划分为...     

面向煤矿巡检任务的新型仿生爬线机器人关键技术

煤矿轨道巡检机器人为煤矿机器人的一个重要分支，针对传统轨道巡检机器人因巷道形变导致轨道错位引发的卡死以及轨道施工复杂成本高等问题，研发出一种基于仿生学原理的新型爬线巡检机器人。借鉴自然界生物长臂猿运动方式，提出了轨道巡检机器人仿生式结构，利用手爪的交替抓持实现行走，具有良好的越障能力以及柔性轨道的自适应能力；提出一种分布式控制系统，完成了控制系统整体架构以及软件功能的详细设计，并对机器人驱动能力进行了详细计算。通过实验验证了机器人运动性能。     

基于UDE的掘进机器人非奇异终端滑模控制

随着科学技术的不断进步,煤矿悬臂式掘进机正朝着自动化、少人化、智能化的方向发展。巷道断面成形是悬臂式掘进机的一个主要任务,针对煤矿掘进机器人截割头轨迹控制易受外界未知干扰、系统非线性以及参数不确定性等因素影响,提出一种基于未知动态估计器（Unknown Dynamic Estimator,UDE）的非奇异终端滑模控制方法。首先,考虑液压驱动部分建立了掘进机截割电液驱动系统的3阶非线性严反馈状态空间模型。其次,利用有限时间状态收敛的超螺旋滑模微分器估计系统的未知速度状态,基于低通滤波器设计UDE估计系统的非匹配项集总不确定性,并采用非奇异终端滑模面和幂指数趋近律设计快速终端滑模控制律,对UDE观测的系统扰动进行实时前馈补偿可有效缓解传统滑模控制存在的控制器抖振问题。同时为降低高阶虚拟控制量导数计算复杂度,引入指令滤波技术,并采用高增益鲁棒反馈抑制系统匹配项扰动,利用李雅普诺夫准则证明闭环系统的稳定性。最后,利用搭建的掘进机器人样机开展实验验证。试验结果表明：在跟踪阶跃信号、0.1 Hz正弦信号以及混频信号时,所提出的控制方法相较传统的PI控制跟踪误差的平均值分别降低了61.60%、66....     

煤矿抓管机器人冗余机械臂逆运动学求解算法

设计了一种煤矿抓管机器人，介绍了机器人的系统组成、核心参数和主要功能；在煤矿抓管机器人及其液压机械臂的结构特点和工作方式基础上，研究了基于固定角度法和搜索方法的机械臂逆运动学求解算法，分析了冗余机械臂的逆运动学求解原理，并给出了算法实现的详细流程。仿真结果表明：逆运动学求解得到的关节角序列能够驱动机械臂末端运动到目标位姿，求解过程可靠，验证了算法的有效性；相较现有其它逆运动学求解算法，该算法具有显式数学表达式，进而算法部署成本低。     

浮选中起泡剂浓度对气泡尾涡区特征及颗粒卷吸的影响

为探明浮选中起泡剂浓度对气泡及其尾涡区特征的影响，预测颗粒在浮选气泡尾涡区的卷吸概率，通过实验室自制的拟上升气泡装置及粒子图像测速系统，研究了不同浓度仲辛醇条件下的气泡尾涡区流场特征，分析了气泡表面流体分离行为及尾涡特征；通过高速摄像系统的同步观测，研究了气泡的形态特征以及颗粒在气泡尾涡区的轨迹和分布概率。研究结果表明：随着起泡剂浓度的增加，气泡的尺寸略有减小而长径比逐渐增大；气泡边界层分离角随起泡剂浓度的增加逐渐增加，存在临界分离角196.70°；气泡引起的尾涡主要集中在流场流速小于0.09 m/s的区域，气泡尾涡区高度随起泡剂浓度的增加逐渐减小，存在最小尾涡区临界值为气泡直径的1.06倍；颗粒在气泡尾涡区存在3种运动轨迹，颗粒卷吸的运动轨迹可以分为3个显著阶段，颗粒受力是导致其卷吸类型区别的关键因素；随着起泡剂浓度的增加，颗粒被卷吸的范围与概率逐渐减小。影响气泡尾涡及颗粒运动的临界浓度均为1.6×10^-4 mol/L。研究结果明晰了起泡剂浓度对矿物颗粒在气泡尾涡区卷吸的机理，为微细矿物浮选技术的发展提供了有价值的指导。     

基于工业元宇宙的综采工作面虚实融合运行模式初步探索

以数字孪生技术形成虚实融合的运行模式是推进智能化建设的关键，而以数字孪生为基础的工业元宇宙是智采工作面未来发展的方向。提出基于虚拟现实-数字孪生-信息物理系统-工业元宇宙的综采工作面虚实融合运行模式构想，具有展示与离线模拟、监测与辅助操作、在线模拟与预演等六大内涵特征，是逐渐由低层级的展示模拟到高层级深度融合功能的演变过程，最终具备由实到虚精准的复制映射能力、虚拟迭代的推理预测决策能力、由虚到实的复制控制能力以及虚实人机无缝协作和精益化管理四大能力。分析工业元宇宙所具备的4种能力和实现工业元宇宙的关键技术。在已有的监测、决策、控制能力的基础上融入能加强现场操作人员与远程操作人员协作能力的AR远程协助技术、能加强操作人员安全性的机器人协同技术与能在虚拟空间内利用AI驱动运行的虚拟人技术，构建了基于工业元宇宙的液压支架调架实验系统，形成工业元宇宙在煤矿开采中应用的初步认识。     

基于数据驱动的综采装备协同控制系统架构及关键技术

为解决智能化综采工作面关键技术难题之一的开采设备协同控制问题,提出了基于数据驱动的综采装备仿人智能协同控制模型,重点研究了大数据背景下智能综采装备的协同控制知识自学习、开采行为自决策、分布协同自运行等关键技术理论与方法。具体包括:从数据应用的角度分析了智能综采系统的数据特点,阐明了智能综采的3大数据化特征:泛在感知(数据获取)、信息融合(数据挖掘)、智能控制(数据决策);构建了面向经验操作员决策过程表征的综采装备协同控制框架;提出了基于扩展有限状态机的综采装备运行状态演化方法和基于多标记决策信息系统的综采装备运动行为模式学习方法,来实现数据驱动下智能综采装备行为决策知识的获取;提出了面向经典采煤工艺过程的综采装备行为模态类的决策知识划分方法和基于CBR与RBR融合的决策行为混合推理方法,来实现智能综采装备动作行为的自主决策;探讨了人工控制模式下综采装备驾驶员控制策略的表征方法,发展了具有自学习、自决策、工况自适应的综采"三机"仿人智能协同控制方法;给出了基于平行系统理论的平行综采技术逻辑,为综采装备协同控制的研究提供方法。所提综采装备协同控制系统为大数据背景下的综采生产系统的协同控制提供了解决方案。