雙臂掘進鉆車自動化鉆孔方法研究

張付祥，　史文軍

(河北科技大學 機械工程學院， 河北 石家莊　050018)

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雙臂掘進鉆車自動化鉆孔方法研究

張付祥，史文軍

(河北科技大學 機械工程學院， 河北 石家莊050018)

在對雙臂掘進鉆車進行運動學分析的基礎上，分析了鉆車的作業(yè)能力和理想位姿，研究了雙臂掘進鉆車的鉆臂之間及鉆臂與巷道之間的碰撞檢測方法，提出了一種雙臂掘進鉆車自動化鉆孔方法。在Matlab環(huán)境下對該方法進行了仿真驗證，結果表明該方法能夠使鉆臂到達鉆孔位姿，實現(xiàn)自動化鉆孔，為進一步研究雙臂掘進鉆車鉆臂的運動規(guī)劃及自動化鉆孔奠定了基礎。

雙臂掘進鉆車； 作業(yè)能力分析； 理想位姿； 碰撞檢測； 自動化鉆孔

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1028.011.html

0　引言

中國煤礦瓦斯爆炸事故頻發(fā)，死亡人數(shù)眾多，瓦斯事故已成為煤礦安全生產(chǎn)的最大威脅[1]。如何實現(xiàn)煤礦高效、高產(chǎn)和安全已成為煤礦進一步發(fā)展的關鍵和核心[2]。高瓦斯礦井瓦斯防治管理的最大難題是煤層瓦斯的有效抽放[3]，而釋放瓦斯的有效途徑是鉆孔[4]。計算機控制的自動化鉆孔和鉆爆精度等問題的有效解決可提高瓦斯防治管理的安全性和效率。

本文針對CMJ2-27改進型全液壓鉆井鉆車的鉆臂機械結構進行運動學分析，并對鉆車的作業(yè)能力與理想位姿進行分析，提出鉆車自動碰撞檢測方法，對目前常用的拱形巷道爆破方案進行鉆孔規(guī)劃，為實現(xiàn)鉆車自動化鉆孔奠定了技術基礎。

1　鉆車鉆臂機械結構及運動學分析

CMJ2-27改進型全液壓鉆井鉆車在作業(yè)過程中，所有動作都由操作人員在駕駛室手工機械操作，效率低，鉆孔一致性較差。為了解決這些問題，對鉆車進行改進，使其具備數(shù)控功能。鉆車鉆臂結構如圖1所示。

1-鉆桿； 2-滑架； 3-推進器； 4-擺角油缸； 5-俯仰油缸；6-回轉臂； 7-升降油缸; 8-整臂擺動油缸

鉆車為雙臂操作，且2個機械臂的結構基本一致，每個機械臂有5個轉動自由度、1個移動自由度。在2個機械臂的各個關節(jié)上分別建立關節(jié)坐標系。關節(jié)坐標系建立規(guī)則：每個機械臂按關節(jié)和鉆車車體物理連接的先后次序在各個關節(jié)上依次建立關節(jié)坐標系O1X1Y1Z1，O2X2Y2Z2，O3X3Y3Z3，O4X4Y4Z4，O5X5Y5Z5，O6X6Y6Z6，其中第6個自由度為鉆桿的移動，坐標系O6X6Y6Z6為建立在鉆桿末端的鉆桿坐標系。

采用傳統(tǒng)的D-H (Denavit-Hartenbergma-trix)法對鉆車鉆臂進行正向運動學分析，即通過已知的機械臂關節(jié)坐標求取鉆桿坐標系的位姿。鉆臂的每個連桿上都固定一個坐標系，用4×4的齊次變換矩陣來描述相鄰2個連桿的空間關系[5]。通過依次變換可最終推導出鉆桿相對于基坐標系的位姿，建立鉆臂的運動學方程。

逆運動學問題是已知鉆桿坐標系的位姿，求相應的關節(jié)坐標。運動學逆解解法主要有解析法和代數(shù)法。代數(shù)法工作量大，往往需要直接觀察和經(jīng)驗[6]，而解析法可避免這個問題，因此采用解析法中的分離變量法求解析解。分離變量法首先利用運動方程的不同形式，找出矩陣中簡單表達某個未知數(shù)的元素，力求得到未知數(shù)較少的方程，然后分離出變量，逐個求解。

雙臂掘進鉆車的運動學分析目的是求解鉆車鉆桿期望位姿對應的關節(jié)坐標，手部位姿為6個自由度，需要6軸聯(lián)動。鉆孔作業(yè)采用計算機控制，使其能夠根據(jù)作業(yè)點坐標通過逆運動學求解關節(jié)運動控制參數(shù)，從而實現(xiàn)鉆臂的全方位數(shù)字控制作業(yè)。

2　鉆車作業(yè)能力與理想位姿分析

鉆車鉆臂的空間分析與機器人的空間分析類似[7]。目前大多采用蒙特卡羅法求解機器人工作空間，其為利用隨機抽樣來求解數(shù)學問題的一種數(shù)值方法。

實際工作中，最為理想的狀態(tài)是理想鉆車位姿時鉆孔，即末端姿態(tài)為鉆臂垂直斷面。利用Matlab可求得鉆車距離斷面1 010 mm時鉆孔效果最佳，然后根據(jù)鉆臂垂直斷面的邊界條件和最佳距離條件得出理想狀態(tài)工作空間，如圖2所示，(px，py)為用戶坐標系上鉆孔的坐標。

圖2　雙臂掘進鉆車理想狀態(tài)工作空間

由圖2可知，理想鉆車位姿鉆孔時，內部包含一些空心區(qū)域，即有部分孔位置鉆臂達不到。另外，鉆車2個鉆臂的結構完全相同，工作過程中有相互重疊的區(qū)域，在同時移位過程中鉆臂之間可能產(chǎn)生相互碰撞。因此，鉆車工作時要考慮鉆車位姿調整。

3　鉆車鉆臂碰撞檢測方法

在實際工作中，由于雙臂掘進鉆車的串聯(lián)式機械臂處于動態(tài)的、不確定的非結構性環(huán)境中，碰撞現(xiàn)象可能經(jīng)常發(fā)生。如何判斷和避免串聯(lián)式機械臂的碰撞，對于雙臂掘進鉆車的實際應用非常重要。

鉆臂碰撞檢測方法：① 針對鉆車的工作情況進行碰撞檢測理論分析，利用機器人運動學理論，推導出各個關節(jié)中心點的坐標表達式，求得任意2個連桿之間的最小距離，采用包絡半徑法對2個連桿之間的最小距離與2個連桿的包絡半徑之和進行比較，得到碰撞檢測方程；② 針對單臂作業(yè)情況進行分析，利用Matlab工具，結合蒙特卡羅法獲取單機械臂作業(yè)可能發(fā)生碰撞的情況；③ 針對雙臂同時工作的情況進行分析，利用Matlab工具，結合蒙特卡羅法獲取雙臂同時作業(yè)可能發(fā)生碰撞的情況；④ 針對鉆車2個機械臂鉆桿的目標位姿，利用Matlab工具及鉆車的解析逆解表達式獲取2個機械臂的各個關節(jié)變量；⑤ 單臂作業(yè)時，針對蒙特卡羅法檢測出的單機械臂各連桿之間可能發(fā)生的碰撞情況進行單臂碰撞檢測，雙臂同時作業(yè)時，針對蒙特卡羅法檢測出的2個機械臂各連桿之間可能發(fā)生的碰撞情況進行雙臂碰撞檢測。

在鉆車實際工作中，鉆臂與巷道也可能發(fā)生碰撞，加劇鉆臂的磨損，需盡量避免。鉆臂與巷道的碰撞檢測方法：采用兩端具有半徑為r的半球的圓柱體將連桿包絡起來[8]，當鉆車鉆臂工作時，如果圓柱體兩端球心位置(即連桿關節(jié)坐標原點)不與巷道碰撞，則整個圓柱體就不會與巷道發(fā)生碰撞，即鉆臂連桿與巷道之間不發(fā)生碰撞。因此只要檢測關節(jié)坐標原點是否與巷道發(fā)生碰撞即可。

通過分析，可將關節(jié)坐標原點是否與巷道發(fā)生碰撞的問題轉換為求關節(jié)坐標原點到巷道的最小距離問題：如果關節(jié)坐標原點到巷道的最小距離大于包絡連桿的半球半徑r，則鉆臂與巷道之間不發(fā)生碰撞，否則發(fā)生碰撞。

在鉆車實際工作中，還要考慮實時碰撞檢測問題，需給出一個安全范圍δ(鉆臂實際工作時與巷道壁的最小距離)。本文采用煤礦作業(yè)時最常用的拱形巷道，巷道作業(yè)面寬度為W，高度為H，如圖3所示。鉆孔規(guī)劃碰撞檢測時δ=0，實時碰撞檢測時δ≠0。

圖3　巷道作業(yè)面結構

4　鉆車自動化鉆孔規(guī)劃方法

已知鉆桿坐標系O6X6Y6Z6、用戶坐標系OuXuYuZu，根據(jù)鉆孔工藝可確定各個鉆孔在用戶坐標系上的坐標(px，py)，而對于各孔的姿態(tài)確定，理論上需要滿足關系：

(1)

式中：nx，ny，nz分別為X6在Xu，Yu，Zu軸上的投影；ox，oy，oz分別為Y6在Xu，Yu，Zu軸上的投影；ax，ay，az分別為Z6在Xu，Yu，Zu軸上的投影。

針對煤礦常見的拱形巷道，在作業(yè)面上建立用戶坐標系，如圖4所示。Ou在底部直線的中點，Xu在底部向右為正，Yu在作業(yè)面的左右對稱線上向上為正，Zu垂直于工作面向外為正。確定鉆臂目標姿態(tài)前需要先找?guī)讉€特征孔(鉆車初始位，即鉆桿水平的理想位姿時，鉆頭正對工作面的2個孔；最上面的1個孔，最下面的3個孔；圓弧左右側45°處2個孔)。然后將所有孔分為16個區(qū)域，其中Yu軸左側的孔由左側鉆臂鉆孔，Yu軸右側的孔由右側鉆臂鉆孔，Yu軸上的孔可根據(jù)情況選擇由左側或右側鉆臂鉆孔。鉆孔方案如圖4所示。對這16個區(qū)域分別設定鉆桿末端的目標位姿，見表1。

圖4　鉆孔方案

5　計算結果與分析

利用某礦用88孔方案驗證理論分析結果，以其中1個孔為例進行說明。

首先根據(jù)特定的鉆孔方案獲取鉆孔數(shù)據(jù)，即作業(yè)孔的用戶坐標。取其中1個孔，假定作業(yè)孔在用戶坐標系中的位姿為

T中第1列數(shù)據(jù)為作業(yè)孔X6軸姿態(tài)，第2列數(shù)據(jù)為作業(yè)孔Y6軸姿態(tài)，第3列數(shù)據(jù)為作業(yè)孔Z6軸姿態(tài)，第4列數(shù)據(jù)為鉆孔的用戶坐標系坐標。

假定鉆車位姿矩陣為

表1　鉆桿末端的目標位姿

將數(shù)據(jù)輸入程序，得關節(jié)坐標θ1=-15.057 0，θ2=-95.902 0，θ3=-137.677 2，θ4=79.780 0，θ5=-97.213 1，d6=-1 984.1。

通過程序計算出作業(yè)孔的關節(jié)坐標后，即可通過控制系統(tǒng)控制關節(jié)運動，使鉆臂到達鉆孔位姿，實現(xiàn)自動化鉆孔。

6　結語

對CMJ2-27改進型全液壓鉆井鉆車進行作業(yè)能力分析、碰撞檢測和鉆孔規(guī)劃，得到了自動化鉆孔方法，為進一步研究雙臂掘進鉆車鉆臂的軌跡規(guī)劃奠定了理論基礎，為實現(xiàn)CMJ2-27改進型鉆車自動化鉆孔奠定了技術基礎。

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Research on an automatic drilling method for dual-arm drill rig

ZHANG Fuxiang,SHI Wenjun

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018, China)

Based on kinematics analysis of dual-arm drill rig, operation ability and ideal position of dual-arm drill rig were analyzed, collision detection methods of dual-arm drill rig between the arms and between the arms and roadway were studied, and an automatic drilling method for dual-arim drill rig was put forward. A simulation experiment was carried out in Matlab. The experimental result shows that the method can make the arms of dirll rig arrive the ideal position and realize automatic drilling, which lays a foundation for further research on trajectory planning of the arms of dual-arm drill rig and automatic drilling.

dual-arm drill rig; operation ability analysis; ideal position; collision detection; automatic drilling

1671-251X(2016)06-0042-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.011

2015-12-31；

2016-04-17；責任編輯：李明。

河北省科技攻關計劃資助項目(14211902D)；河北省研究生創(chuàng)新資助項目。

張付祥(1973-)，男，河北青縣人，副教授，博士，主要研究方向為機電裝備與機器人，E-mail:zhangfx@hebust.edu.cn。

TD421

A網(wǎng)絡出版時間：2016-06-01 10:28

張付祥，史文軍.雙臂掘進鉆車自動化鉆孔方法研究[J].工礦自動化，2016,42(6)：42-45.