礦用鉆桿自動搬運系統設計淺析
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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機器人，設計了鉆桿自動搬運系統，對鉆桿自動搬運系統組成進行分析，設計了鉆桿自動搬運系統的總體結構，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。仿真結果表明，該系統可以保證鉆桿搬運安全穩定運行。
關鍵詞：鉆桿自動搬運；視覺；有限元；MATLAB
0引言
近年來出現了各種各樣的煤礦鉆桿機構，以滿足不同地質煤炭開采的需求。鉆桿在作業時，往往根據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，國內外學者對鉆桿搬運機構開展了大量的研究，取得了顯著成效。基于眾多學者對機器視覺及機器人的研究，設計了鉆桿自動搬運系統，實現鉆桿搬運的自動化，為煤炭開采的智能化及安全性等方面的提升提供參考。
1鉆桿自動搬運系統組成
工業機械臂在航空航天、航海、電子設備、機床、礦山冶金、交通運輸、機械等方面得到廣泛的應用。鉆桿自動搬運系統主要是借助工業相機對鉆桿進行識別，通過工業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，同時解放了生產力，保障了人員的生命安全。設計的鉆桿自動搬運系統組成如圖1所示。工業機械臂由六軸機械臂及控制系統組成。工業機器人首先通過視覺系統識別需要搬運的鉆桿，在控制系統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域內進行運動，從而實現對鉆桿的自動搬運。
2鉆桿自動搬運系統總體結構
該系統硬件主要由上位機、底層硬件設備組成。上位機是整個系統的控制中心，負責接收視覺傳感器的圖像信息進行圖像處理、目標識別與定位、機械臂運動規劃等。底層硬件設備是整個系統的執行機構，包括負責采集目標圖片信息的視覺傳感器、負責抓取的機械臂、負責控制機械臂各關節電機運動的機械臂控制器以及負責控制器與上位機之間信息傳遞的通信模塊。系統總體結構圖如圖2所示。視覺機械臂控制系統在執行識別抓取任務時，依據執行功能的不同將整個系統劃分為視覺識別系統和機械臂運動控制系統。視覺識別系統中的圖像傳感器采集傳輸圖像信息，上位機借助視覺系統軟件進行圖像預處理、圖像分割、特征提取、識別定位等處理最終得出目標的位置信息。整個視覺識別系統的工作流程如圖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，導入到ANSYS軟件中。由于機械手的結構較為復雜，采用四面體網格進行劃分，網格大小為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，因此在此狀態下對機械手施加1000N的水平力進行有限元分析。經過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力分布如圖5所示。從圖5可以看出，機械手的部分聯接件的應力較小，不超過17MPa。處于鉸鏈及其聯接孔周圍的應力較大，最大應力達到150.27MPa，根據第四理論強度可以得出最大應力值遠小于材料的屈服極限，驗證了機械手抓取鉆桿結構設計的合理性，滿足實際運動規劃的需要。（2）基于MATLAB運動仿真根據上文設計的鉆桿自動搬運系統，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行器的運動狀態，根據所得結果判斷鉆桿自動搬運系統的設計是否合理。路徑是與時間無關的，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有規律的運動。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的抓取路徑及抓取精度滿足實際使用需求。
4結語
針對煤礦工作條件惡劣、人工換桿勞動強度大等難題，結合現有控制方法及機器人常規化的在各行各業生產中廣泛應用的現狀，以鉆桿自動搬運為研究對象，設計了鉆桿自動搬運系統，對其組成進行分析，對機械手抓取鉆桿的結構進行有限元分析，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設計及優化、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
