煤矿巷道悬线巡检机器人结构设计及仿真.pdf

第44卷第5期 2018年5月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 文章编号671-251X 201805-0076-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017110055 煤 矿 巷 道 悬 线 巡 检 机 器 八 结 构 设 计 及 仿 真 姜俊英1 周展1 曹现刚1 马晓燕2 狄航1 吴旭东1 1.西安科技大学机械工程学院，陝 西 西 安 710054 2. Shaanxi Coal Shennan Industry Development Co.， Ltd. , Shenmu 719300, China Abstract For complicated structure and control of existing wheeled or crawler-type inspection robot in coal mine tunnel as well as low reliability， and high cost and occupation of tunnel space resource of tracked inspection robot， a kind of suspension line inspection robot in coal mine roadway was designed， which was not influenced by complex geographical environment of roadway and distribution of personnel and equipments. Structure d esign of the robot was focused on. A virtual prototype model of the robot was established in ADAMS software， and three motion states of the robot were simulated and analyzed including horizontally walking with obstacle navigation， uphill walking with obstacle navigation and downhill walking with obstacle navigation. The results show that the robot always maintains a uni linear motion in horizontal direction and fluctuates in vertical and horizontal side-sway directions within allowable range， and displacement changes of the robot are relatively stable in the three motion states. The simulation results verify rationality of structure design of the robot. Key words coal mine roadway; inspection robot; suspension line inspection robot; environment monitoring ； equipment operation status monitoring； structure design ； double-armed wheeled structure; 收稿日期 2017-11-28;修回日期 2018-02-19;责任编辑 李明。 基金项目 陕西省重点研发计划重点产业创新链项目（ S2018-YF-ZDLGY-0011。 作者筒介 姜俊英（ 1969 男， 陕西长武人， 讲师， 博士研究生， 研究方向为机电一体化、 设备智能维护等， E-mail91236679qq. com。 引用格式 姜俊英， 周展， 曹现刚， 等.煤矿巷道悬线巡检机器人结构设计及仿真工矿自动化， 2018， 4456-81. JIANG JunyingZHOU ZhanCAO Xianganget al. Structure design of suspension line inspection robot in coal m ine roadway and its sim ulation. [ J] . Industry and M ine Automation,2018,445 76-81. 2 0 1 8 年 第 5 期姜 俊 英 等 煤 矿 巷 道 悬 线 巡 检 机 器 人 结 构 设 计 及 仿 真 77 kinematics simulation 〇 引言 对煤矿井下巷道环境及设备运行状态进行巡 检 ， 是煤矿企业安全生产的重要保证[1]。传统的巡 检方式有人工巡检和在线监控2 种 。人工巡检方式 由于劳动强度大、 巡检效率低而逐渐被淘汰;在线监 控方式存在投入成本高、 维护效率低、 覆盖面积小等 问题[2]。近年来， 随着机器人技术的高速发展， 国内 许多学者和科研人员开始研制应用于煤矿巡检领域 的特种机器人[3]。许旺等[4]设计了轮式移动巡检机 器人， 通过机器人平台上的监测设备， 实现工作面设 备安全状态巡检。左敏[5]提出了一种集成化履带式 矿山智能巡检机器人， 在该机器人上安装摄像机， 实 现对矿山的安全监控。以 上2 种巡检机器人分别为 轮式和履带式， 应用于煤矿巷道巡检时， 受限于复杂 的地理环境和人员设备分布， 控制较复杂。陆文涛 等[]针对煤矿井下带式输送机运行状态监测， 设计 了一种巡检机器人， 通过固定抱索器与钢丝绳相连， 在传动系统作用下沿带式输送机运行方向往返运 动 ， 实现状态巡检。该种机器人解决了行走问题， 但 巡检覆盖范围有限。裴文良等[7]针对煤矿井下水泵 房等重要设备的巡检监控， 设计了一种轨道式矿用 防爆巡检机器人， 通过在预设轨道上行走完成巡检 任务， 但将该种机器人应用于煤矿巷道中时， 需专门 铺设大量固定轨道， 成本高， 且占用巷道空间资源， 不具有普适性。 笔者借鉴广泛应用于电力行业的悬线巡检机器 人[810]， 结合煤矿井下巷道结构， 设计了一种适用于 煤矿巷道的悬线巡检机器人。该巡检机器人采用双 臂轮式机械结构， 通过机构间相互配合完成悬线杆 过障及行走， 极大地简化了机器人控制系统的设计。 与轮式、 履带式巡检机器人相比， 该机器人的最大优 在于不受井 地 人 设 分 布的影响， 可极大地提高巡检可靠性； 与轨道式巡检 机器人相比， 该机器人成本低、 效率高。本文着重介 绍该煤矿巷道悬线巡检机器人（ 以下简称巡检机器 人） 的结构设计， 并对其在不同运动状态下进行仿真 分析， 从而验证结构设计的合理性。 1巡检机器人设计要求 煤矿巷道工作环境特殊， 不仅有瓦斯等易燃易 爆气体、 硫化氢等腐蚀性气体， 而且空气潮湿、 空间 狭小、 矿尘大、 电磁干扰严重[11]。煤矿巷道错综复 杂 ， 采掘巷道、 运输巷道、 通风巷道等交错分布， 且大 多距离长、 坡度大[12]。巷道侧顶壁空间开阔， 可预 先在其一侧架设悬线杆， 铺设钢丝绳， 形成巡检机器 人巡检轨道， 如 图 1 所示。巡检机器人通过在悬线 绳轨 上 走 ， 完 井 设 状态巡检。 图1煤矿巷道截面悬线杆布置 Fig. 1 Suspension line bar layout in tunnel section of coal mine 为满足巡检需求， 对巡检机器人提出以下设计 要求需满足强度要求， 结构紧凑， 轻量化;需配备模 块搭载平台搭载巡检设备， 能提供较大空间， 实现设 备安装； 为避免巡检机器人在悬线钢丝绳轨道上行 走时出现打滑、 空转现象， 应尽可能增大巡检机器人 轮轨间的摩擦力； 鉴于应用行业的特殊性， 巡检机器 人需 高可靠 ， 有 爆 能 。 2巡检机器人结构设计 巡检机器人采用模块化设计， 主要由行走机构、 驱动机构、 过障机构、 过弯机构、 模块搭载框架组成， 其 SolidWorks三维结构模型如图2 所示。悬线杆 间隔架设于井下巷道侧顶壁， 用于搭载悬线钢丝绳， 形成巡检轨道。驱动机构由电动机和减速器组成， 与行走机构、 过障机构、 过弯机构、 模块搭载框架装 配组成巡检机器人主体结构， 完成巡检机器人在巡 检轨道上的行走、 过障等动作。 图2巡检机器人三维结构模型 Fig. 2 3D structure model of inspection robot 78 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 2. 1 行走机构 巡检 人行走机构由上支架、 菱形轴承座、 主 动轮、 主动轴自 轴承座、 主动轴、 圆柱连接杆组 ， 在连接杆上开导向槽， 如 图 3a所示。上支架 作为行走 的机架， 安装有菱形轴承座、 主动轴自 由端轴承座、 主动轴和主动轮， 并通过圆柱连接杆上 的外螺 块搭载框架连接。行走 设计为 “ U” 型半开口 ， 合理解决了巡检 人 t悬 线杆时二 撞的问题。 b过障机构 图3巡检机器人部分结构 Fig. 3 Part structures of inspection robot 2. 2 过障机构 包括弧度过障导杆、 预紧轮、 下支架、 导向套、 销孔、 预紧弹簧、 弹簧调节螺母， 如 图 3b 所示。弧度过障导 数铣加工 ， 当巡检机 人 线 时 ， 导 线 接 ， 预紧轮 绳 ， 在驱动力的作用下， 巡检机 人可 地 线杆。 架作为 的 架 ， 安 有 导 、 预 轮 、 导 向 套 。 架与上支架交互， 设计为“ U” 型半开口 。 t 导 向 套 圆 柱 连 接 形 可 上 动 的 圆 柱副； 导向套上开设有销孔， 销安装于导向套的销孔 处 ， 使圆柱连接杆与导向槽配合， 将圆柱 化为移 动副， 保证巡检 人 线杆。 架与 弹簧调节螺母之间安装有预紧弹簧， 线杆时， 预紧弹簧受挤压发生形变， 为 架 反作用力， 防止巡检 人 X 5Y5Z5。根 据 D- H 标 系 确 定 规 则 ， Z 轴为 直运动方 向， X 轴 为 Z 轴的任意 线 ， Y 轴由右手螺旋 确定[13]。 基于上述D- H 坐标系， 在 AD AM S多刚体动 分析软件中 建立巡检机器人 样机 。采用 算 样 化 ， 减 少一些 不 必 要 的 连 接 ， 从而减 时的计算 2 0 1 8 年 第 5 期姜 俊 英 等 煤 矿 巷 道 悬 线 巡 检 机 器 人 结 构 设 计 及 仿 真 79 [ 1 4 - 1 5 ]。简化的巡检机器人虚拟样机如图5 所示。 简化的巡检机器人结构 3 500r 3 000 S 2 500 2 000 1 500 赵 1 000 500 0 5 10 15 20 25 30 时 间 /s 水平沿线运动方向 竖直运动方向 图6巡检机器人在水平行走且过障状态下的 位移-时间曲线 b各杆件坐标系 图4简化的巡检机器人结构及各杆件坐标系 Fig. 4 Simplified structure of inspection robot and coordinate system for each member bar 图5简化的巡检机器人虚拟样机模型 Fig. 5 Simplified virtual prototype model of inspection robot 仿真时， 为保证巡检机器人正常行走， 主动轮添 加 3. 49 rad/s 转速 和 12 N m 转矩作为驱动力， 同 时设置预紧弹簧的 数 系 数 为 5.6 X 10 2 N/mm， 阻尼系数为1.4X 103 N s/m， 预载荷 为 80 N 。 3. 2 运动仿真分析 对巡检 人 走且过障、 上坡且过障、 下 坡 3 动状态 ， 结果如图6 图 8 所示。 Fig. 6 Displacement-time curve of inspection robot under the state of horizontally walking with obstacle navigation 3 500r 3 000 S 2 500 2 000 1 500 赵 1 000 500 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 时 间/s “ 水平沿线运动方向 b 摆 运动方向 “竖直运动方向 图7巡检机器人在上坡且过障状态下的位移-时间曲线 Fig. 7 Displacement-time curve of inspection robot under the state of uphill walking with obstacle navigation 80 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 水平沿线运动方向水平沿线运动方向 “ 竖直运动方向“ 竖直运动方向 图图8巡检机器人在巡检机器人在下坡且过障状态坡且过障状态下的位移的位移-时间时间曲线线 Fig. 8 Displacement-time curve of inspection robot under the state of downhill walking with obstacle navigation 可看出在不同运动状态下， 随着时间的推移， 巡 检机器人在水平沿线运动方向保持匀速行进； 由于 仿真时巡检机器人质心未能准确调整至主动轮正下 方 ， 导致巡检机器人在水平侧摆运动方向出现摆动 现象， 3 种状态下的最大侧摆位移分别为1. 15， 1. 2, 1. 05 mm;由于悬线钢丝绳为柔性体， 导致巡检机器 人在竖直方向的运动出现小幅振荡， 在 3 种状态下 的最大位移分别为2. 75,2. 5， 2 mm;巡检机器人在 不同运动状态下过障时， 由于悬线杆为刚性体， 钢丝 绳与悬线杆固定， 巡检机器人通过固定点处时振幅 会减小， 通过悬线杆后回到原有状态。 经分析可以得出结论 ①巡检机器人在水平沿 线运动方向始终能够保持匀速直线运动， 从而保障 巡检任务正常完成； ②巡检机器人位移反映整个巡 检机器人的质心变化， 由于悬线钢丝绳为柔性体， 巡 检机器人质心在竖直运动方向和水平侧摆运动方向 上有小范围波动， 但均在允许范围之内； ③巡检机 器人在整个运动过程中的位移变化比较平稳， 验证 了机械结构设计的合理性。 4结语 对巡检机器人的结构进行了设计， 详细说明了 行走机构、 过障机构和过弯机构设计及装配方案； 在 AD AM S中建立了巡检机器人虚拟样机， 并进行了 运动学仿真分析， 结果表明巡检机器人在不同运动 状态下均能够较平稳地行走、 过障， 验证了结构设计 的合理性。该巡检机器人可为煤矿巷道环境及设备 运行状态监测提供新的技术途径。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References 1 *陈维健陈维健.中国煤矿安全技术与管理 矿井安全监测监中国煤矿安全技术与管理 矿井安全监测监 控设备控设备[M ].徐 州 中国矿业大学出版社，徐 州 中国矿业大学出版社，2014. 2 *武先利， 杨 勇 ， 魏峰武先利， 杨 勇 ， 魏峰.煤矿井下安全监控系统技术改进煤矿井下安全监控系统技术改进 探 讨 煤 矿 安 全 ，探 讨 煤 矿 安 全 ，2009,408 09-111. 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