基于并聯結構的煤礦救災機器人動力學研究

杜梓楠

摘 要：當前救援智能化裝置已經充當了我國各類災害處置過程中的關鍵性操作器具，然而絕大部分救援智能化裝備依然要借助于人工化操控。目前科研團隊推出了同時兼顧著運載性智能設備及探查智能型裝備兩種功能的煤炭礦山災害救援智能化操控系統，其根本宗旨在于可同時發揮出救援裝備的自助導向及智能管控效能。文章針對于煤炭探查智能裝備在煤田井下災害現場順變情形下的狀態管控及局部程序設定展開了深入的探討。系統闡釋了礦山智能裝備的技術專長及并聯模式的特征，研究了并聯式智能裝備操作時動力學布局，分析了立足于并聯模式的煤田救災智能裝備的動力學屬性，指明了日后的具體發展前景。

關鍵詞：并聯布局：煤田救災：智能化裝備;動力學特征

引言

當今時期，并聯式礦山救援智能化裝備已經成為智能控制學及結構學體系中的焦點話題，然而輕質型的并聯智能裝備在快捷、高負載的運作狀態下，每一個器件的彈性化形態改變均會引發智能機器人在實際運動過程中產生一定的偏差及彈式波動，故此，現實應當構建出并聯化智能裝備的動力學布局形態且給出彈性化動力式結構分析，以便實現所期盼的運動路徑并且能夠切實地管控好彈性波動程度等.

1、并聯結構的煤礦救災機器人動力學研究進展

為了讓并聯型礦山智能裝備可以達到高效化運作，其動作平臺一定要具備足夠的剛性，而實際上其結構中的每一個桿件都是屬于柔性化的桿件，因此，并聯型礦山智能裝備從根本上來都是屬于復合環、柔性體和剛性結構相融合的非線型動力學功能體系，其中的動力學分析模型遠遠比剛型并聯智能裝備及柔式串聯化智能裝備繁雜的多。學者Kang先生等編制出了一種可滿足于運動狀態管控的平面柔式并聯職能機構的動力學運算模型，然而其模型結構相對簡單，精度水平欠佳.專家Fattah先生等借助于自動正交補方式擬建出了一款約束型運算模式，構建出了一款三維式并聯操控智能裝備的有限元方程，探析了機件彈性元素對于動力學平臺分析精度的具體影響作用。

2、機器人系統運動模式分析

針對并聯化智能裝備建立運算模型中的核心問題是要依據剛構、柔性耦合的技術特征，擬建出相應的運動規則要求及動力規則系數，排除各個桿體與動力平臺之間的配置關系.因為現場構建空間柔體并聯智能化裝備的動力型運算模型難度較大，本人由平面化柔體并聯智能裝備方面著眼，借助于運動彈力動力學原理，同時關注各個桿件之間的彈性變化及其具體的配置關系，擬建柔體并聯智能裝備的運動軌跡方案及動力控制系數，獲取到了平面柔體并聯化智能裝備的運動動力學數學模型。

并聯型智能操控機構的本體結構是屬于一種多環式的操控機構，末位操控器設置在動態操作平臺上，動態操作平臺是由多條并聯化的分體活動鏈和固定式機座緊密連結。依照并聯智能裝備的具體結構性特征，構建出了每一條支鏈型柔體的梁構數學模型及梁構單元的運動學軌跡方程，最終，構建出并聯化智能裝備機構的運動學軌跡方程。系統運動軌跡中各不同部位的方位偏差、位移偏差存在著一定的差距，故此，應當借助于某一確定位置的具體偏差來敲定操作部位，讓智能裝備能夠更為圓滿的完成好操控過程及相應的控制程序.依據前面實際模擬結果可以做出具體的判定，文章選取的運動動力學分析模式精度甚佳，可以具體的展現出平面柔體并聯智能機構的屬性特征，然而如果把它推展到空間柔體并聯智能裝備的動力學模型分析，那就一定要顧及到很多的與其密切關聯著的各種因素：第一，因為空間型智能裝備本身結構中所包含的各種構件比較繁多、整體機構運動程序及軌跡繁雜，其一會引發分析模型體量龐大，再者會引發運算模型中的各個數學矩陣、向量參數的構成繁雜，不方便進行數值運算;第二，還同時要密切關注到其中的各種彈性變化過程，比如扭曲、剪力等因素，有時尚應顧及到彈性變化的非線性規律，除此之外，各類彈性變量、彈性變化的配置關系亦可實現繁雜化;最末，獲取到的代數～微分計算方程組絕大多數應歸為剛性化求解方程，運算過程難度相對較大。

3、煤田救援智能裝備動力學模型分析

移動式智能化裝備的運動學數學模型及動力學計算模型是探求其有效控制手段的基本要素。立足于變化環境，移動式智能裝備的活動構架日益趨向于繁雜化，由此立足于智能化裝備的運動學運算模型或者動力學計算模型分析前提下的智能裝備運動形態控制過程顯得尤為關鍵。構建運動學計算模型的根本任務是首先要確定好智能裝備本體各個機構之間的運動機構配合關系，以此給有效化的運動軌跡分析及完美控制創造出有力的條件。目前的有關移動化智能裝備運動學模型構建比較典型性的方法包括兩種：一種是基于速度矢量傳遞的方法，這種方法只需考慮相鄰構件之間的運動關系，類似于牽連速度概念，各相鄰運動構件之間進行速度傳遞，最終得到機器人本體的運動方程;另一種是基于矩陣變換的方法，基本思想在機器人各運動構件上建立局部坐標系，通過坐標系之間的齊次變換矩陣及矩陣微分來描述各運動部件與機器人本體之間的位姿和運動關系。為了進一步進行機器人穩定性分析，提高復雜地形下的控制性能，考慮機器人的力學模型是有必要的，Chakraborty 研究了輪式移動機器人在非平坦地形下的動力學建模。將一些文獻中所用的牛頓——歐拉法或拉格朗日法等常規的動力學建模方法用于全地形移動機器人動力學建模時，推導過程比較復雜。

結語

綜上，本文以柔性并聯機器人為研究對象，提出了剛體、柔體混合的多閉環系統的動力學建模方法，該建模方法簡單，物理意義明確，通用性強;并建立了平面柔性并聯機器人的系統動力學方程，這對于分析動力學性能、減小運動誤差、控制彈性振動、優化設計等后續研究工作都是非常有意義的。

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