基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的煤礦救災(zāi)機器人動力學(xué)研究

杜梓楠

摘 要：當(dāng)前救援智能化裝置已經(jīng)充當(dāng)了我國各類災(zāi)害處置過程中的關(guān)鍵性操作器具，然而絕大部分救援智能化裝備依然要借助于人工化操控。目前科研團(tuán)隊推出了同時兼顧著運載性智能設(shè)備及探查智能型裝備兩種功能的煤炭礦山災(zāi)害救援智能化操控系統(tǒng)，其根本宗旨在于可同時發(fā)揮出救援裝備的自助導(dǎo)向及智能管控效能。文章針對于煤炭探查智能裝備在煤田井下災(zāi)害現(xiàn)場順變情形下的狀態(tài)管控及局部程序設(shè)定展開了深入的探討。系統(tǒng)闡釋了礦山智能裝備的技術(shù)專長及并聯(lián)模式的特征，研究了并聯(lián)式智能裝備操作時動力學(xué)布局，分析了立足于并聯(lián)模式的煤田救災(zāi)智能裝備的動力學(xué)屬性，指明了日后的具體發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)布局：煤田救災(zāi)：智能化裝備;動力學(xué)特征

引言

當(dāng)今時期，并聯(lián)式礦山救援智能化裝備已經(jīng)成為智能控制學(xué)及結(jié)構(gòu)學(xué)體系中的焦點話題，然而輕質(zhì)型的并聯(lián)智能裝備在快捷、高負(fù)載的運作狀態(tài)下，每一個器件的彈性化形態(tài)改變均會引發(fā)智能機器人在實際運動過程中產(chǎn)生一定的偏差及彈式波動，故此，現(xiàn)實應(yīng)當(dāng)構(gòu)建出并聯(lián)化智能裝備的動力學(xué)布局形態(tài)且給出彈性化動力式結(jié)構(gòu)分析，以便實現(xiàn)所期盼的運動路徑并且能夠切實地管控好彈性波動程度等.

1、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的煤礦救災(zāi)機器人動力學(xué)研究進(jìn)展

為了讓并聯(lián)型礦山智能裝備可以達(dá)到高效化運作，其動作平臺一定要具備足夠的剛性，而實際上其結(jié)構(gòu)中的每一個桿件都是屬于柔性化的桿件，因此，并聯(lián)型礦山智能裝備從根本上來都是屬于復(fù)合環(huán)、柔性體和剛性結(jié)構(gòu)相融合的非線型動力學(xué)功能體系，其中的動力學(xué)分析模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)比剛型并聯(lián)智能裝備及柔式串聯(lián)化智能裝備繁雜的多。學(xué)者Kang先生等編制出了一種可滿足于運動狀態(tài)管控的平面柔式并聯(lián)職能機構(gòu)的動力學(xué)運算模型，然而其模型結(jié)構(gòu)相對簡單，精度水平欠佳.專家Fattah先生等借助于自動正交補方式擬建出了一款約束型運算模式，構(gòu)建出了一款三維式并聯(lián)操控智能裝備的有限元方程，探析了機件彈性元素對于動力學(xué)平臺分析精度的具體影響作用。

2、機器人系統(tǒng)運動模式分析

針對并聯(lián)化智能裝備建立運算模型中的核心問題是要依據(jù)剛構(gòu)、柔性耦合的技術(shù)特征，擬建出相應(yīng)的運動規(guī)則要求及動力規(guī)則系數(shù)，排除各個桿體與動力平臺之間的配置關(guān)系.因為現(xiàn)場構(gòu)建空間柔體并聯(lián)智能化裝備的動力型運算模型難度較大，本人由平面化柔體并聯(lián)智能裝備方面著眼，借助于運動彈力動力學(xué)原理，同時關(guān)注各個桿件之間的彈性變化及其具體的配置關(guān)系，擬建柔體并聯(lián)智能裝備的運動軌跡方案及動力控制系數(shù)，獲取到了平面柔體并聯(lián)化智能裝備的運動動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。

并聯(lián)型智能操控機構(gòu)的本體結(jié)構(gòu)是屬于一種多環(huán)式的操控機構(gòu)，末位操控器設(shè)置在動態(tài)操作平臺上，動態(tài)操作平臺是由多條并聯(lián)化的分體活動鏈和固定式機座緊密連結(jié)。依照并聯(lián)智能裝備的具體結(jié)構(gòu)性特征，構(gòu)建出了每一條支鏈型柔體的梁構(gòu)數(shù)學(xué)模型及梁構(gòu)單元的運動學(xué)軌跡方程，最終，構(gòu)建出并聯(lián)化智能裝備機構(gòu)的運動學(xué)軌跡方程。系統(tǒng)運動軌跡中各不同部位的方位偏差、位移偏差存在著一定的差距，故此，應(yīng)當(dāng)借助于某一確定位置的具體偏差來敲定操作部位，讓智能裝備能夠更為圓滿的完成好操控過程及相應(yīng)的控制程序.依據(jù)前面實際模擬結(jié)果可以做出具體的判定，文章選取的運動動力學(xué)分析模式精度甚佳，可以具體的展現(xiàn)出平面柔體并聯(lián)智能機構(gòu)的屬性特征，然而如果把它推展到空間柔體并聯(lián)智能裝備的動力學(xué)模型分析，那就一定要顧及到很多的與其密切關(guān)聯(lián)著的各種因素：第一，因為空間型智能裝備本身結(jié)構(gòu)中所包含的各種構(gòu)件比較繁多、整體機構(gòu)運動程序及軌跡繁雜，其一會引發(fā)分析模型體量龐大，再者會引發(fā)運算模型中的各個數(shù)學(xué)矩陣、向量參數(shù)的構(gòu)成繁雜，不方便進(jìn)行數(shù)值運算;第二，還同時要密切關(guān)注到其中的各種彈性變化過程，比如扭曲、剪力等因素，有時尚應(yīng)顧及到彈性變化的非線性規(guī)律，除此之外，各類彈性變量、彈性變化的配置關(guān)系亦可實現(xiàn)繁雜化;最末，獲取到的代數(shù)～微分計算方程組絕大多數(shù)應(yīng)歸為剛性化求解方程，運算過程難度相對較大。

3、煤田救援智能裝備動力學(xué)模型分析

移動式智能化裝備的運動學(xué)數(shù)學(xué)模型及動力學(xué)計算模型是探求其有效控制手段的基本要素。立足于變化環(huán)境，移動式智能裝備的活動構(gòu)架日益趨向于繁雜化，由此立足于智能化裝備的運動學(xué)運算模型或者動力學(xué)計算模型分析前提下的智能裝備運動形態(tài)控制過程顯得尤為關(guān)鍵。構(gòu)建運動學(xué)計算模型的根本任務(wù)是首先要確定好智能裝備本體各個機構(gòu)之間的運動機構(gòu)配合關(guān)系，以此給有效化的運動軌跡分析及完美控制創(chuàng)造出有力的條件。目前的有關(guān)移動化智能裝備運動學(xué)模型構(gòu)建比較典型性的方法包括兩種：一種是基于速度矢量傳遞的方法，這種方法只需考慮相鄰構(gòu)件之間的運動關(guān)系，類似于牽連速度概念，各相鄰運動構(gòu)件之間進(jìn)行速度傳遞，最終得到機器人本體的運動方程;另一種是基于矩陣變換的方法，基本思想在機器人各運動構(gòu)件上建立局部坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣及矩陣微分來描述各運動部件與機器人本體之間的位姿和運動關(guān)系。為了進(jìn)一步進(jìn)行機器人穩(wěn)定性分析，提高復(fù)雜地形下的控制性能，考慮機器人的力學(xué)模型是有必要的，Chakraborty 研究了輪式移動機器人在非平坦地形下的動力學(xué)建模。將一些文獻(xiàn)中所用的牛頓——歐拉法或拉格朗日法等常規(guī)的動力學(xué)建模方法用于全地形移動機器人動力學(xué)建模時，推導(dǎo)過程比較復(fù)雜。

結(jié)語

綜上，本文以柔性并聯(lián)機器人為研究對象，提出了剛體、柔體混合的多閉環(huán)系統(tǒng)的動力學(xué)建模方法，該建模方法簡單，物理意義明確，通用性強;并建立了平面柔性并聯(lián)機器人的系統(tǒng)動力學(xué)方程，這對于分析動力學(xué)性能、減小運動誤差、控制彈性振動、優(yōu)化設(shè)計等后續(xù)研究工作都是非常有意義的。

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