矿井救援及探测机器人的设计与分析.pdf

赵东辉，等矿井救援及探测机器人的设计与分析2017年第01期 41 矿井救援及探测机器人的设计与分析 赵东辉，孙小芳 （郑州电力高等专科学校，河南郑州，450004） 摘 要对矿山井下救援及探测机器人的结构及控制模块进行了设计。在结构设计方面，采用 Creo 2.0有限元软件，选取强度、耐腐蚀性良好的合金钢作为机械手选材，建立了物理模型； 通过加载手指表面压力和侧面扭矩力作为载荷，进行了三维应力分析。在控制模块设计方面， 通过气动控制回路实现了机械手的升降、松紧、回转动作及其速度控制；通过电气控制设计实 现了视觉传感器、压力传感器的控制。实践表明结构设计满足了受力及安全系数等需求；控 制设计能够准确支配机械手动作程度、实时监测井下生命体征状况。多项技术融合应用于矿井 救援及探测机器人，使设备整体结构紧凑、工作稳定，提高了推广应用可行性。 关键词矿井救援；机器人；气动控制；探测；PLC；应力分析 中图分类号TD355 文献标识码 A 文章编号 2095-8412 2017 01-041-03 工业技术创新 URL http //www.china- DOI 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.01.010 工 业 技 术 创 新 第04卷 第01期 2017年2月 Industrial Technology Innovation Vol.04 No.01 Feb.2017 引言 随着电子化、机械化、自动化、智能化等技术的 发展与融合，各种各样的矿山机器人得到了开发和应 用。例如，矿井救援及探测机器人能够在矿井发生事 故后进行井下救援及人员伤亡情况探测等，由于巷道 的特殊性，对机器人尺寸和运动灵活度提出了更高要 求。 本文介绍了机器人的机械手造型，以及重点研究 了手抓部分的有限元分析、气动回路设计及电气控制 设计[1]。 1 机器人结构与功能 该类机器人主要由驱动装置、主体、机械手、传 感器及控制装置、气动控制回路及成像装置等部分组 成。机械部分主要由旋转马达、机械手臂和机械手抓三 部分组成。机械手的底座由旋转马达控制，可以实现x 轴、y轴和z轴三个方向的运动及旋转[2]。同时，如图1所 示的旋转电机2和3可以实现360度旋转，从而有效扩大机 械手的运动范围。伸缩气缸7通过伸出和缩回的同时可 以控制机械手抓的收与放，从而抓取石头等重物，解救 被压伤员。该机械手在一定的空间范围内，可以精确定 位到任意位置，并抓取重物或推开重物。此外，机械手 抓中间安装生命探测装置，可以定位及探测伤员的位 置和生命体征情况。在该小车上还安装了探照灯和摄 像头，以便实时监控井下情况，实现监控。 2 机器人结构设计与优化 2.1 手抓设计 手抓部分安装在机器人手臂的末端，“手”可以 根据实际情况采用多种类型的手指，实现手部造型个 性化设计[3]。 如图1所示，手指默认共计3类，也可根据需求更 换或添加，比如可以通过更换更长的手指，在更大的 1-机械手；2,3-旋转电机；4-旋转气缸； 5-储存装置；6-车轮；7-伸缩气缸。 图1 救援及探测机器人三维造型 2017年第01期 工 业技 术创新Industrial Technology Innovation 42 2017年第01期 43 范围内伸缩，从而抓取更大的重物。该装置连接了气 动回路，与PLC控制回路结合，可以做到伸缩自如。同 时，也可以通过气动溢流阀调节力的大小[4]。 该机械手内部安装了生命探测装置，用于探测井 下发生事故后生命迹象的存在与否及所在，从而提高 救援效率。 2.2 机械手臂应力分析及优化 2.2.1 机械手选材 由于机械手实际工作环境恶劣，空气潮湿，还需 搬取重物并将其移动到合适位置，故选择材料需考虑 刚度、强度、硬度、耐腐蚀性等，可选择铝合金或低 碳合金钢等[5]。最终权衡用低碳合金钢，因为其具有良 好的强度。 2.2.2 手指受力分析及优化设计 使用Creo 2.0有限元软件对手指进行应力分析。由 于手指要承受表面压力和侧面扭矩力，故设置手指正 面承受2 000 N的压力，侧面承受1 400 Nm的扭矩力。 通过Creo2.0软件对零件的结构分析得到数据，如 图3所示。 零件结构及受力分析采用有限元应力分析方法， 即对分析部分按实际情况进行固定，对受力部分施加 载荷。由图4可知，深 红色部分受力较大，故可以通过 对深红色受力部分进行优化设计[6]。 由图5可知，机械手的最大位移在手指末端，为 1.1710-1 mm，最小位移在手指根部，为110-3 mm， 由Creo2.0软件分析，在对手指施加3 000 N载荷时，手指 仍能保证不低于9的安全系数，满足实际工作需求[7]。 3 机器人控制设计 3.1 气动控制回路设计 机械手动力装置采用了电机与气动混合控制。该 动力控制系统由电机带动气泵工作，通过如图5所示的 3个气动回路分别控制机械手的升降、松紧、回转三个 动作。输出信号通过3个两位四通的电磁换向阀换向来 实现上述动作，输入信号则通过压力继电器、行程开 关等实现。通过调节节流阀的节流口大小控制空气流 量大小，从而有效控制执行元件，达到支配机械手运 动速度的目的。 3.2 电气控制设计 矿井救援及探测机器人的电气控制部分采用了S7- 200可编程逻辑控制器（PLC），通过安装在手抓部分 的各种传感器及行程开关等对输入部分进行控制，如 视觉传感器、压力传感器等，其输出部分通过输出点 控制执行元件如气缸、气马达等结合微型气泵控制手 抓抓紧张开、手抓伸缩、手臂抬升等动作。如图6所示 为机械手动作接线端子图。 通过编程软件编写程序，并下载到PLC芯片中， 通过与气动控制系统的传感器装置、电磁换向阀、压 力继电器、行程开关等输入信号的联合作用，通过输 出装置如气缸等完成对该机械手动作的控制，从而实 现对障碍物的自动清理[8-10]。 1手指；2生命探测装置；3气缸 4回转气马达；5支架 图2 机械手手抓部分造型 图3 手指应力分布图 图4 手指位移分析图 赵东辉，等矿井救援及探测机器人的设计与分析2017年第01期 43 葛伟伟, 张森, 李媛媛, 等. 井下搬运机械手的设计与仿真研究 [J]. 煤矿机械，2015,342 47-49. 刘小勇, 李荣丽, 姜生元, 等. 管内异物抓取机械手结构参数优 化设计[J]. 机械设计, 2010, 279 29-31. 王建军, 袁帮谊. 基于虚拟样机技术的搬运机械手仿真设计与 研制[J]. 机械工程与自动化, 20102 80-81. 孙继平. 矿井监控关键科学技术问题[C]. 北京 中国煤矿信息 化与自动化高层论坛暨中国矿业大学（北京）百年校庆学术 会议, 2009 16-26. 范勤, 何丽君. 基于ADAMS的卧卷夹钳虚拟样机建模及动力 学仿真[J]. 起重运输机械, 20085 55-58. 何献忠. 可编程控制器应用技术[M]. 北京 清华大学出版社, 2007 45-50. 刘德忠, 费仁元, 德Stefan Hesse. 装配自动化[M]. 北京 机械 工业出版社, 2003. 1、2伸缩气压缸；3回转马达；4节流阀 5二位四通电磁换向阀；6气动三联件；7气泵 图5 末端执行器气动回路图 作者简介 赵东辉（ 1979－）， 男，汉族，河北邯郸人，硕士，副教授。现在郑 州电力高等专科学校从事机电设备研究工作。 Email zdh308；327585732 图6 机械手PLC接线端子图 4 结束语 本文对救援及探测机器人的结构和控制进行了设 计与分析，从三维造型到应力分析都采用了CAD/CAE 软件，如Creo2.0，大大提高了设计效率。针对当前井 下作业环境的复杂性，对机械手手指部分采用了气动 技术与PLC相结合的控制方式。气动技术在该机械手中 的应用，使设备可以应对比较复杂的环境。西门子组 态系统在总控制中的应用，使得该装置在救援工作时 更加稳定。 基金资助 河南省博士后基金 一等资助（2013033）； 国家自然科学基金（59805017）。 参考文献 李文军. 矿用机械手的设计[J]. 机械设计,20148 29-30. 管永忠. 工业机械手的设计探析[J]. 装备制造技术，20115 50-51, 68. 曾德贵, 熊一君. 视觉技术在煤矿装配机械手定位算法改进 [J]. 煤矿机械, 2013,341 197-199. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] 下转第46页 2017年第01期 工 业技 术创新Industrial Technology Innovation 46 Investigations on Effects of Temperature on Pumpability and Cone Penetration Characteristics of an Imported Sealing Grease for Shield Tail WANG De-qian, SONG Shi-xiong China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing, 102600, China Abstract Quantitative tests on pumpability and cone penetration are pered on a certain kind of imported sealing grease for shield tail considering its significant variance originated from temperature effect in the shield construction. The optimized temperature is 535℃, corresponding with pumpability of 2040 g/min and cone penetration of 200230 mm, indicating the necessity of considering the climate characteristics for the normal use of sealing grease. This not only provides technical references for domestic sealing grease manufacturing units, but is also an essential experience for construction personnel for accurate grasp on a perfect temperature for the normal use of sealing grease, effectively guaranteeing the stable operation for the construction procedure. Key words Sealing Grease for Shield Tail; Shield Construction; Temperature Characteristics; Pumpability; Cone Penetration; Capillary Rheometer 上接第43页 Design and Analysis on a Robot for Rescue and Detection in Mines ZHAO Dong-hui, SUN Xiao-fang Zhengzhou Electric Power College, Zhengzhou, Henan, 450004, China Abstract Designs on structure and controlling modules are carried out for a robot for rescue and detection in mines. In the scope of structural design, the physical model is established by Finite Element software Creo 2.0 applying alloy steel with satisfied stiffness, strength, hardness, and corrosion resistance into materials of manipulators; and further, 3 Dimension stress analysis is pered on the fingers of manipulators through force loads by means of surface pressure and side torque. In view of controlling module design, manipulations including lifting, tightness, rotation and speed control are realized by the pneumatic control circuit, and as well, controls on vision and pressure sensor are achieved by electronics design. Practical applications show that, such a structural design satisfies the requirements of maximum force and safety factor, and the controlling design can accurately dominate the extents of manipulators’ action and real-time surveillance on the vital signs downward the mines. The integration on various technologies into such a robot for rescue and detection in mines, makes the overall structure more compact, the operation more stable, significantly improving the efficiency of design as well as the feasibility of its promotions and applications. Key words Rescue in Mines; Robot; Pneumatic Control; Detection; Programmable Logic Controller PLC; Stress Analysis