【摘 要】
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钻爆法(钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法)是井下采矿和隧道开挖普遍采用的施工方法。凿岩机器人具有高度自主操作能力,能有效改善人工半机械化凿岩的作业环境、降低工人的劳
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钻爆法(钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法)是井下采矿和隧道开挖普遍采用的施工方法。凿岩机器人具有高度自主操作能力,能有效改善人工半机械化凿岩的作业环境、降低工人的劳动强度,提高开采效率。其钻臂的定位精度和速度直接关系到岩层的钻爆精度,影响炮孔工艺性、工程效率、矿石的贫化率及利用率,是凿岩机器人领域重要的研究课题之一。地下采矿巷道和施工隧道狭窄而曲折,为保障作业的灵活性、避障性和操作性能,凿岩机器人普遍采用冗余多自由度关节耦合钻臂,增加了其定位控制运动学逆解的复杂性和难度,同时,也降低了求解效率和定位精度。针对凿岩机器人钻臂定位控制运动学求解、动力学参数辨识和定位误差补偿方法等,本文开展的主要研究工作如下:基于D-H方法建立钻臂运动学模型,推导出钻臂执行机构末端相对机身的正向运动学方程。提出一种交叉精英反向粒子群优化(CEOPSO)算法搜索钻臂目标位姿逆解。将交叉算子引入精英反向粒子群优化算法中,在维护粒子个体与最优解之间信息交换的基础上,增加粒子个体之间的信息交换,采用自适应惯性权重和交叉概率参数控制技术,提高算法的搜索能力和钻臂定位效率。仿真结果表明,CEOPSO算法迭代过程平稳,提高了钻臂定位控制性能,具有较好的工程应用价值。钻臂结构庞大,动力学模型参数辨识困难且精度低。采用牛顿-欧拉法建立钻臂动力学模型。为减少辨识过程因关节运动产生的冲击震荡,基于傅立叶级数规划钻臂运动关节轨迹。在CAD辨识法基础上,采用理论辨识法对钻臂各关节动力学参数进行分步辨识,为钻臂动力学的准确建模提供精确参数。建立包含参数误差和形变误差的钻臂定位误差模型。设计了一种5参数D-H钻臂模型。采用叠加法求解大臂、推进梁和翻转机构关节的挠度变形。通过引入一个虚拟关节,简化形变误差计算模型。应用CEOPSO算法搜索钻臂的定位误差补偿值,仿真结果表明所提出的算法能有效提高钻臂定位精度。
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