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矿井救援及探测机器人的设计与分析

2017/8/22    来源:互联网    作者:赵东辉  孙小芳      
关键字:矿井救援  机器人  气动控制  探测  PLC  应力分析  
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。

    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 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。

    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。

    1

    图1 救援及探测机器人三维造型

    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。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

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    图2 机械手手抓部分造型

    使用Creo2.0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2000N的压力,侧面承受1400N·m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。

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    图3 手指应力分布图

责任编辑:张纯子
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