基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)的煤礦救災(zāi)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究

杜梓楠

摘 要：當(dāng)前救援智能化裝置已經(jīng)充當(dāng)了我國各類災(zāi)害處置過程中的關(guān)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(tuán)隊(duì)推出了同時(shí)兼顧著運(yùn)載性智能設(shè)備及探查智能型裝備兩種功能的煤炭礦山災(zāi)害救援智能化操控系統(tǒng)，其根本宗旨在于可同時(shí)發(fā)揮出救援裝備的自助導(dǎo)向及智能管控效能。文章針對(duì)于煤炭探查智能裝備在煤田井下災(zāi)害現(xiàn)場順變情形下的狀態(tài)管控及局部程序設(shè)定展開了深入的探討。系統(tǒng)闡釋了礦山智能裝備的技術(shù)專長及并聯(lián)模式的特征，研究了并聯(lián)式智能裝備操作時(shí)動(dòng)力學(xué)布局，分析了立足于并聯(lián)模式的煤田救災(zāi)智能裝備的動(dòng)力學(xué)屬性，指明了日后的具體發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)布局：煤田救災(zāi)：智能化裝備;動(dòng)力學(xué)特征

引言

當(dāng)今時(shí)期，并聯(lián)式礦山救援智能化裝備已經(jīng)成為智能控制學(xué)及結(jié)構(gòu)學(xué)體系中的焦點(diǎn)話題，然而輕質(zhì)型的并聯(lián)智能裝備在快捷、高負(fù)載的運(yùn)作狀態(tài)下，每一個(gè)器件的彈性化形態(tài)改變均會(huì)引發(fā)智能機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生一定的偏差及彈式波動(dòng)，故此，現(xiàn)實(shí)應(yīng)當(dāng)構(gòu)建出并聯(lián)化智能裝備的動(dòng)力學(xué)布局形態(tài)且給出彈性化動(dòng)力式結(jié)構(gòu)分析，以便實(shí)現(xiàn)所期盼的運(yùn)動(dòng)路徑并且能夠切實(shí)地管控好彈性波動(dòng)程度等.

1、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的煤礦救災(zāi)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展

為了讓并聯(lián)型礦山智能裝備可以達(dá)到高效化運(yùn)作，其動(dòng)作平臺(tái)一定要具備足夠的剛性，而實(shí)際上其結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)桿件都是屬于柔性化的桿件，因此，并聯(lián)型礦山智能裝備從根本上來都是屬于復(fù)合環(huán)、柔性體和剛性結(jié)構(gòu)相融合的非線型動(dòng)力學(xué)功能體系，其中的動(dòng)力學(xué)分析模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)比剛型并聯(lián)智能裝備及柔式串聯(lián)化智能裝備繁雜的多。學(xué)者Kang先生等編制出了一種可滿足于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)管控的平面柔式并聯(lián)職能機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)運(yùn)算模型，然而其模型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，精度水平欠佳.專家Fattah先生等借助于自動(dòng)正交補(bǔ)方式擬建出了一款約束型運(yùn)算模式，構(gòu)建出了一款三維式并聯(lián)操控智能裝備的有限元方程，探析了機(jī)件彈性元素對(duì)于動(dòng)力學(xué)平臺(tái)分析精度的具體影響作用。

2、機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模式分析

針對(duì)并聯(lián)化智能裝備建立運(yùn)算模型中的核心問題是要依據(jù)剛構(gòu)、柔性耦合的技術(shù)特征，擬建出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)則要求及動(dòng)力規(guī)則系數(shù)，排除各個(gè)桿體與動(dòng)力平臺(tái)之間的配置關(guān)系.因?yàn)楝F(xiàn)場構(gòu)建空間柔體并聯(lián)智能化裝備的動(dòng)力型運(yùn)算模型難度較大，本人由平面化柔體并聯(lián)智能裝備方面著眼，借助于運(yùn)動(dòng)彈力動(dòng)力學(xué)原理，同時(shí)關(guān)注各個(gè)桿件之間的彈性變化及其具體的配置關(guān)系，擬建柔體并聯(lián)智能裝備的運(yùn)動(dòng)軌跡方案及動(dòng)力控制系數(shù)，獲取到了平面柔體并聯(lián)化智能裝備的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型。

并聯(lián)型智能操控機(jī)構(gòu)的本體結(jié)構(gòu)是屬于一種多環(huán)式的操控機(jī)構(gòu)，末位操控器設(shè)置在動(dòng)態(tài)操作平臺(tái)上，動(dòng)態(tài)操作平臺(tái)是由多條并聯(lián)化的分體活動(dòng)鏈和固定式機(jī)座緊密連結(jié)。依照并聯(lián)智能裝備的具體結(jié)構(gòu)性特征，構(gòu)建出了每一條支鏈型柔體的梁構(gòu)數(shù)學(xué)模型及梁構(gòu)單元的運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡方程，最終，構(gòu)建出并聯(lián)化智能裝備機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡方程。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(yīng)當(dāng)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(yīng)的控制程序.依據(jù)前面實(shí)際模擬結(jié)果可以做出具體的判定，文章選取的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析模式精度甚佳，可以具體的展現(xiàn)出平面柔體并聯(lián)智能機(jī)構(gòu)的屬性特征，然而如果把它推展到空間柔體并聯(lián)智能裝備的動(dòng)力學(xué)模型分析，那就一定要顧及到很多的與其密切關(guān)聯(lián)著的各種因素：第一，因?yàn)榭臻g型智能裝備本身結(jié)構(gòu)中所包含的各種構(gòu)件比較繁多、整體機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)程序及軌跡繁雜，其一會(huì)引發(fā)分析模型體量龐大，再者會(huì)引發(fā)運(yùn)算模型中的各個(gè)數(shù)學(xué)矩陣、向量參數(shù)的構(gòu)成繁雜，不方便進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算;第二，還同時(shí)要密切關(guān)注到其中的各種彈性變化過程，比如扭曲、剪力等因素，有時(shí)尚應(yīng)顧及到彈性變化的非線性規(guī)律，除此之外，各類彈性變量、彈性變化的配置關(guān)系亦可實(shí)現(xiàn)繁雜化;最末，獲取到的代數(shù)～微分計(jì)算方程組絕大多數(shù)應(yīng)歸為剛性化求解方程，運(yùn)算過程難度相對(duì)較大。

3、煤田救援智能裝備動(dòng)力學(xué)模型分析

移動(dòng)式智能化裝備的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型及動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型是探求其有效控制手段的基本要素。立足于變化環(huán)境，移動(dòng)式智能裝備的活動(dòng)構(gòu)架日益趨向于繁雜化，由此立足于智能化裝備的運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算模型或者動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型分析前提下的智能裝備運(yùn)動(dòng)形態(tài)控制過程顯得尤為關(guān)鍵。構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模型的根本任務(wù)是首先要確定好智能裝備本體各個(gè)機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合關(guān)系，以此給有效化的運(yùn)動(dòng)軌跡分析及完美控制創(chuàng)造出有力的條件。目前的有關(guān)移動(dòng)化智能裝備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型構(gòu)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(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，類似于牽連速度概念，各相鄰運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間進(jìn)行速度傳遞，最終得到機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)方程;另一種是基于矩陣變換的方法，基本思想在機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上建立局部坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣及矩陣微分來描述各運(yùn)動(dòng)部件與機(jī)器人本體之間的位姿和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。為了進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)器人穩(wěn)定性分析，提高復(fù)雜地形下的控制性能，考慮機(jī)器人的力學(xué)模型是有必要的，Chakraborty 研究了輪式移動(dòng)機(jī)器人在非平坦地形下的動(dòng)力學(xué)建模。將一些文獻(xiàn)中所用的牛頓——?dú)W拉法或拉格朗日法等常規(guī)的動(dòng)力學(xué)建模方法用于全地形移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模時(shí)，推導(dǎo)過程比較復(fù)雜。

結(jié)語

綜上，本文以柔性并聯(lián)機(jī)器人為研究對(duì)象，提出了剛體、柔體混合的多閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模方法，該建模方法簡單，物理意義明確，通用性強(qiáng);并建立了平面柔性并聯(lián)機(jī)器人的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，這對(duì)于分析動(dòng)力學(xué)性能、減小運(yùn)動(dòng)誤差、控制彈性振動(dòng)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等后續(xù)研究工作都是非常有意義的。

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