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1 a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。     

煤矿探测机器人垂直越障性能研究

通过分析机器人摆臂姿态变化对机器人质心轨迹变化的影响,掌握了六履带四摆臂煤矿探测机器人摆臂姿态与垂直越障性能的关系,提出了机器人在攀越垂直型障碍时前后摆臂的姿态控制要求,得到了机器人越障高度Hmax及其俯仰角度αm与机器人各参数之间的关系式,当其俯仰角度大于αm时,机器人就不能够攀越此类型障碍。同时分析了机器人摆臂质量对垂直越障性能影响的,得出可以通过增大摆臂质量来提高机器人对垂直型障碍的越障能力。     

综采工作面巡检机器人柔性轨道设计与运动学仿真

煤矿井下综采工作面空间狭小、设备动作频繁,位置关系复杂等问题,导致常规巡检机器人难以直接在工作面运行,自动化监测难度大。根据工况需求,结合环境及设备群动作特点,提出工作面巡检轨道设计要求,采用模块化设计、仿真模拟和样机试验的方法,设计一种新型跨座式巡检机器人柔性轨道,实现在工作面环境的安装调节及当安装设备发生动作变形时轨道自身的自适应补偿。首先设计了巡检机器人柔性轨道的机械结构并确定安装运行方式。其次,以轨道跨接在刮板输送机线缆槽一侧为例,分析刮板输送机在平直、弯曲和起伏3种工况下的弯曲和俯仰变形量,并对柔性轨道进行运动学仿真。在3种工况下,该轨道可随工作面设备完成水平弯曲0～5.4°、竖直倾斜0～6°、伸缩变形0～120 mm,满足实际工况要求。巡检机器人通过柔性轨道时,其主运动方向始终保持匀速直线运动,水平或竖直方向在柔性过度段存在波动,波动幅值均在安全允许范围内。最后搭建柔性轨道物理样机及工作面试验平台,对工作面巡检机器人柔性轨道进行性能验证。结果表明：新型跨座式巡检机器人柔性轨道结构设计合理,可以适应工作面巡检的不同工况,对实现煤矿井下综采工作面机器人巡检具有重要意义。     

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。     

煤矿巡检机器人同步定位与地图构建方法研究

针对煤矿井下无GPS环境下巡检机器人自主定位问题,研究了基于激光雷达的同步定位与地图构建方法。首先建立激光雷达观测模型和里程计预测模型,将机器人定位和地图构建的实际问题转换为概率数学模型的逻辑推理问题。同时采用自适应蒙特卡罗定位算法进行机器人实时位姿估计,提出了根据粒子权重(地图的匹配度)进行重采样的方法,以去除权重小的粒子,实现了用较少、较好粒子精确表达机器人位姿的后验概率分布,满足机器人利用传感器在栅格地图上实时定位的需求。通过对Fast-SLAM算法进行优化,减少了粒子数量,缓解了粒子耗散,提高了地图构建的精确性。实验结果表明,基于激光雷达的同步定位与地图构建方法有效解决了巡检机器人实时位姿估计和环境地图构建的问题,结合自适应蒙特卡罗定位算法和优化Fast-SLAM算法提高了机器人定位的自适应性和地图构建的精确性。     

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...     

基于双目视觉的掘锚机器人行驶位移检测方法

针对掘锚机器人在行驶过程中存在行驶位移检测精度低的问题,以已支护锚杆为定位基准,通过分析掘锚机器人与已支护锚杆之间的距离关系,建立“掘锚机器人-已支护锚杆”定位模型,提出一种基于双目视觉的掘锚机器人行驶位移检测方法。煤矿井下环境复杂,采用传统的Census变换算法得到的视差图具有局限性,通过分析双目视觉测距原理,提出一种改进Census变换算法获取锚杆的视差图,得到锚杆图像的深度信息;提出一种锚杆特征的识别与定位方法,利用边缘检测算法对视差图中的锚杆进行轮廓提取,采用最小外接矩形与最大外接矩形算法对锚杆轮廓进行框选,提取锚杆特征点的像素坐标,通过分析坐标转换关系将特征点像素坐标转换为世界坐标,采用最小二乘法将特征点空间坐标拟合成一条直线,经过该直线建立平行于巷道截面的平面,解算双目相机与该平面之间的距离,进而得到掘锚机器人与该平面之间的距离。搭建移动机器人平台进行掘锚机器人行驶位移检测实验,结果表明：改进后的Census变换算法使误匹配率从19.85%降低到11.52%,较传统Census变换算法的误匹配率降低了41.96%;锚杆特征点识别与定位方法能够有效提取锚杆特征点的空间坐标,经...