矿用钻杆自动搬运系统设计浅析

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摘要：针对朱家峁煤矿工作条件恶劣、人工换杆强度大等难题，基于机器视觉及工业机器人，设计了钻杆自动搬运系统，对钻杆自动搬运系统组成进行分析，设计了钻杆自动搬运系统的总体结构，对机械手抓取钻杆的受力进行有限元分析；基于MATLAB对机器人抓取钻杆的路径及抓取精度进行仿真。仿真结果表明，该系统可以保证钻杆搬运安全稳定运行。

关键词：钻杆自动搬运；视觉；有限元；MATLAB

0引言

近年来出现了各种各样的煤矿钻杆机构，以满足不同地质煤炭开采的需求。钻杆在作业时，往往根据实际情况进行换杆操作，此时需要人工搬运，考虑到井下工况复杂，存在各种安全隐患。为了提高换杆工作的自动化及智能化水平，国内外学者对钻杆搬运机构开展了大量的研究，取得了显著成效。基于众多学者对机器视觉及机器人的研究，设计了钻杆自动搬运系统，实现钻杆搬运的自动化，为煤炭开采的智能化及安全性等方面的提升提供参考。

1钻杆自动搬运系统组成

工业机械臂在航空航天、航海、电子设备、机床、矿山冶金、交通运输、机械等方面得到广泛的应用。钻杆自动搬运系统主要是借助工业相机对钻杆进行识别，通过工业机械臂进行钻杆的安装与卸载，为钻杆的搬运提供了巨大便利，同时解放了生产力，保障了人员的生命安全。设计的钻杆自动搬运系统组成如图1所示。工业机械臂由六轴机械臂及控制系统组成。工业机器人首先通过视觉系统识别需要搬运的钻杆，在控制系统的智能控制下通过机器人抓手进行一系列动作，抓取完成后在机器人运动区域内进行运动，从而实现对钻杆的自动搬运。

2钻杆自动搬运系统总体结构

该系统硬件主要由上位机、底层硬件设备组成。上位机是整个系统的控制中心，负责接收视觉传感器的图像信息进行图像处理、目标识别与定位、机械臂运动规划等。底层硬件设备是整个系统的执行机构，包括负责采集目标图片信息的视觉传感器、负责抓取的机械臂、负责控制机械臂各关节电机运动的机械臂控制器以及负责控制器与上位机之间信息传递的通信模块。系统总体结构图如图2所示。视觉机械臂控制系统在执行识别抓取任务时，依据执行功能的不同将整个系统划分为视觉识别系统和机械臂运动控制系统。视觉识别系统中的图像传感器采集传输图像信息，上位机借助视觉系统软件进行图像预处理、图像分割、特征提取、识别定位等处理最终得出目标的位置信息。整个视觉识别系统的工作流程如图3所示。

3仿真分析

（1）基于ANSYS的有限元分析机械手的抓取是实现钻杆自动搬运的重要过程。利用SolidWorks软件建立钻杆机械手的三维模型，将模型保存为.x_t格式，导入到ANSYS软件中。由于机械手的结构较为复杂，采用四面体网格进行划分，网格大小为10mm，机械手的材料为45钢，其弹性模量210GPa、泊松比0.3、屈服极限355MPa。机械手抓取钻杆过程中，当机械手收缩处于极限时，此时钻杆对机械手作用力最大，机械手有断裂的危险，因此在此状态下对机械手施加1000N的水平力进行有限元分析。经过ANSYS计算得到机械手在钻杆作用下的变形情况如图4所示。由计算结果可知机械手部分的最大位移量约为0.3mm，此变形量很小，可以忽略不计，因此可认为机械手的相对变形量很小，不会影响钻杆的移送工作。计算得到机械手的应力分布如图5所示。从图5可以看出，机械手的部分联接件的应力较小，不超过17MPa。处于铰链及其联接孔周围的应力较大，最大应力达到150.27MPa，根据第四理论强度可以得出最大应力值远小于材料的屈服极限，验证了机械手抓取钻杆结构设计的合理性，满足实际运动规划的需要。（2）基于MATLAB运动仿真根据上文设计的钻杆自动搬运系统，基于MATLAB对机器人抓取钻杆的过程进行研究，对机器人抓取钻杆的路径及抓取精度进行仿真分析，如图6所示，能清楚地观察到末端执行器的运动状态，根据所得结果判断钻杆自动搬运系统的设计是否合理。路径是与时间无关的，它是连接物体运动的起始位置到终点位置的直线或者曲线。由图6（a）可知，机器人的抓取路径为圆弧曲线，随着时间的推移开始呈现有规律的运动。由图6（b）可知，开始时机器人抓取误差开始增加，1s后误差逐渐减小，之后趋于平缓，在3s后抓取误差基本保持不变。因此钻杆自动搬运系统的抓取路径及抓取精度满足实际使用需求。

4结语

针对煤矿工作条件恶劣、人工换杆劳动强度大等难题，结合现有控制方法及机器人常规化的在各行各业生产中广泛应用的现状，以钻杆自动搬运为研究对象，设计了钻杆自动搬运系统，对其组成进行分析，对机械手抓取钻杆的结构进行有限元分析，基于MATLAB对机器人的抓取路径及抓取精度进行仿真分析，为钻杆自动搬运系统设计及优化、精度提高等方面提供重要的参考。

作者:万祖保 李伟 马国芳 单位:陕西中太能源投资有限公司 青岛地铁集团有限公司