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煤矿救援机器人系统运载车关键技术研究

魏娟  
【摘要】:机器人的应用已经遍及海陆空,但迄今为止煤矿救援机器人在国内外煤矿事故救援中尚无成功应用的实例。针对我国煤矿瓦斯爆炸等不安全事故频发,救援水平较低的现状,在国家自然科学基金和陕西省自然科学基金的资助下,深入研究了煤矿救援机器人的体系结构、机械本体、运动特性和导航算法等关键技术问题,为构建高速、可靠、安全、有效的煤矿救援机器人系统奠定了坚实的基础。 针对煤矿瓦斯事故多发生在距井口较远的工作面的实际,首次提出采用轨道轮式运载车加履带式探测机器人的两级救援机器人系统,运载车借助于矿车轨道快速行驶将履带式探测机器人运至距事故现场最近处,探测机器人在事故现场实施信息采集。两级机器人系统的救援体系结构,充分利用了井下已有的运输轨道,发挥轮式移动机器人和履带式移动机器人各自的优点,达到了快速救援的目的。 在充分论证运载车可行性的基础上,对运载车机械本体的运行安全性进行了定义,分析了影响运载车运行安全性的因素,研究了基于运行安全性的运载车运动性能评价指标,提出了以脱轨系数、轮重减载率、离心加速度为评价指标,结合轮轨蠕滑力、纵横向振动位移和加速度进行评判的运载车运行安全性评价体系。 基于虚拟样机技术,采用模块化、参数化设计思想,设计了运载机车的结构,包括以轨道轮为主的行走装置、电气加机械的双重制动装置、车体和行走机构的连接缓冲装置以及车体等部分,完成了全部的零件图设计并进行了装配设计,为运载车的运动仿真提供了理论依据和原始数据。 利用具有非完整约束的多体系统动力学理论,建立了运载车的力学模型和数学模型,将运载车分解成由11个刚体、12个铰和6个力元组成的多体系统,通过切割铰的方式建立了运载车的有根树系统力学模型,推导出运载车的纵向运动学、动力学和振动学方程。同时分析了运载车工作的轨道环境,建立了基于随机信号理论的煤矿井下轨道不平顺模型和基于现场实际的轨道线路模型。 通过分析影响运载车的移动性能的因素,研究了运载车运行安全性评价参数,建立了基于虚拟样机的运载车综合评价与分析仿真环境,采用单参数和多参数的复合优化方法,以运载车的运行安全性为目标,以轮轨接触状况为评价参数,以虚拟样机技术为工具,设计并研究了运载车几何参数和运动参数评价方法,并对结果进行了评价。 研究了基于煤矿井下GIS的运载车自主导航方法,研究了基于图论的煤矿井下轨道模型的建立方法,以轨道的交点为顶点,以相邻两顶点之间的轨道为弧,以每条弧的长度、倾斜度、与其它弧的连接因子、通行因子为评价函数,建立了带权的井下轨道的地图模型,在此基础上提出了基于广度优先的载机器人最佳路径搜索算法。


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