《礦用重型采煤設(shè)備移載機器人設(shè)計》12000字（論文）

PAGEIII礦用重型采煤設(shè)備移載機器人設(shè)計摘要：隨著中國提出“工業(yè)4.0”的戰(zhàn)略方向，國內(nèi)對于重型貨物的運載需求越發(fā)增加，而現(xiàn)有重型移載機器人如AGV等，其對運行環(huán)境有較大要求，在礦地等路面粗糙的環(huán)境無法正常運行，往工作面運送裁采煤設(shè)備還要靠絞盤、抬運等笨重的方式，效率低、靈活性差。本設(shè)計書通過借鑒現(xiàn)有不同移載機器人的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出了一種具有叉、抬、馱運等功能的模塊化礦用重型采煤設(shè)備移載機器人。其主要特點是能夠適應一般的砂石路面，具有較現(xiàn)有運載機器人更好的爬坡能力，并且在搬運較重物體時，復數(shù)個運載單元能夠通過工地wifi等通訊設(shè)備統(tǒng)一控制，配合實現(xiàn)運載任務(wù)。關(guān)鍵詞：重構(gòu)；重載；移載機器人；本體設(shè)計；行為控制目錄33311緒論 -1-14341.1課題簡介 -1-228041.2課題研究背景和意義 -1-199901.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 -2-274411.4研究內(nèi)容與章節(jié)安排 -6-472初步方案設(shè)計 -8-67132.1課題設(shè)計任務(wù) -8-100472.2課題主要涉及工程復雜問題及解決方案 -8-317892.3總體方案確定 -9-84622.4非技術(shù)要素分析 -10-164793詳細方案設(shè)計 -12-35223.2主要零部件設(shè)計與校核 -16-256083.3主要外購件選型與校核 -20-93653.4控制系統(tǒng)簡介 -22-237424設(shè)計成果展示 -27-151094.1立體布局圖 -27-285074.2工程圖 -28-313725結(jié)論與展望 -29-244005.1結(jié)論 -29-248765.2展望 -29-16776參考文獻 -30-10-1緒論重型移載機器人作為機器人的分支之一，是近幾年行業(yè)的新型發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展前景。而現(xiàn)有重型移載機器人受限于其結(jié)構(gòu)，無法適應戶外運輸?shù)男枰?，因此本課題設(shè)計了一種適合礦下運載活動的移載機器人，以填補這方面研究的空白。1.1課題簡介我國煤礦開采已經(jīng)基本實現(xiàn)機械化作業(yè)，在地底下作業(yè)時能夠使用采煤機，液壓機等設(shè)備提高工作效率。但是煤炭從礦井通過吊籃、軌道車等運送到軌道終點之后，往工作面運送還要靠絞盤、抬運等笨重的方式，效率低、靈活性差，本課題旨在設(shè)計一種具有可重構(gòu)為叉、抬、馱運等構(gòu)型的模塊化礦用重型采煤設(shè)備移載機器人機械本體，在抬運大型物件時復數(shù)個機器人能通過機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單連接，統(tǒng)一控制，還能適應重載、路面不平整條件的運動以及在不同坡度下移載平臺自適應調(diào)平。1.2課題研究背景和意義1.2.1研究背景雖然國家一直在提倡清潔、可回收能源的使用，但是化石能源依舊是我國主要的能源供給，其中煤炭是化石能源中的重要組成部分，我們不得不承認，在過去的70年里，正是煤炭工業(yè)的發(fā)展支撐了國民經(jīng)濟的快速發(fā)展。迄今為止，煤炭在我國能源生產(chǎn)和消費中的比重仍居前列，因此煤炭開采技術(shù)的更新與升級依舊有著廣闊的前景。近年來，隨著采煤設(shè)備制造技術(shù)的飛速發(fā)展，采煤設(shè)備走向重型化、強力化和自動化，使設(shè)備的可靠性與效率得到保證，帶來了新一輪采煤技術(shù)的革命，有力的推動了采煤技術(shù)的發(fā)展。目前在神東、晉城等礦區(qū)已率先在厚煤層中使用大型采煤設(shè)備，實現(xiàn)了國內(nèi)工效最高，噸煤成本最低的成果，極大地提高了國內(nèi)外煤炭市場的競爭能力[1]。當前中國正在實施“中國制造2025”戰(zhàn)略，制造業(yè)整體發(fā)展趨向工業(yè)化與智能化。在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域，對于移載機器人，特別是重型裝備行業(yè)在轉(zhuǎn)型生產(chǎn)方面對重型移載機器人有迫切的需求。目前市場上常見的移載式機器人主要有AGV（即自動導航搬運車）小車，指裝備有電磁或光學等自動導航裝置，能夠沿規(guī)定的導航路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。工業(yè)應用中不需要駕駛員的搬運車，以可充電的蓄電池為其動力來源。一般可通過電腦來控制其行進路徑以及行為，或利用電磁軌道來設(shè)立其行進路徑，電磁軌道黏貼于地板上，無人搬運車則依靠電磁軌道所帶來的訊息進行移動與動作。但是在重載貨物環(huán)境下存在一些問題，比如啟動時由于負載大并且舵輪摩擦地面導致啟動扭矩很大、在重載情況下舵輪磨損大以及使用雙舵輪驅(qū)動存在地面不平整時會有驅(qū)動打滑等情況[2]。模塊化可重構(gòu)機器人單單元具有機械結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、機動性強等特點，同時多單元的組合具有靈活多變的配置方式，結(jié)合分布式控制和群智能算法，獲得整個可重構(gòu)機器人系統(tǒng)的環(huán)境適應性和功能通用性[3，4]。1.2.2研究意義我國的煤礦采集已經(jīng)基本實現(xiàn)自動化，采煤機，液壓機等機械設(shè)備普遍應用于各大礦井。目前，煤礦輔助運輸機器人技術(shù)實現(xiàn)了遠程監(jiān)控、遠程操作，減少人力投入，生產(chǎn)安全與效率得到充分保障，但井下作業(yè)環(huán)境復雜惡劣，無法實現(xiàn)全自動智能輔助運輸，后續(xù)還需根據(jù)生產(chǎn)實情開展優(yōu)化[5]。煤炭從礦井通過吊籃、軌道車等運送到軌道終點之后，往工作面運送還要靠絞盤、抬運等笨重的方式，效率低、靈活性差，耗費了大量的人力并且極大影響了整體作業(yè)的速度。因此本課題旨在設(shè)計一種具有可重構(gòu)為叉、抬、馱運等構(gòu)型的模塊化礦用重型采煤設(shè)備移載機器人機械本體，幫助抬運礦車等重載荷。在抬運大型物件時復數(shù)個機器人能通過機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單連接，統(tǒng)一控制，更好地適應地形以及物件本身的形狀。如果設(shè)計出一款能夠適用于礦下的自動移載機器人，無疑會大大提高采煤設(shè)備的整體效率，使我國采煤競爭力更上一層樓。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前世界上沒有可重構(gòu)運輸機器人相關(guān)的研究，故下文將分別介紹可重構(gòu)機器人與運載機器人的研究現(xiàn)狀。1.3.1可重構(gòu)機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對于模塊化機器人的研究最早開始于在1988年,由美國CMU大學機器人研究所的Paredis和Khosla提出了第一種可重構(gòu)模塊化機器人系統(tǒng)。20世紀90年代初，自重構(gòu)機器人的研究在世界各國引起熱潮,其中，日本和美國在這方面的發(fā)展最為迅速。美國、日本的一些大學和科研機構(gòu)對重構(gòu)機器人的重構(gòu)技術(shù)、變形策略、運動規(guī)劃、控制算法、體系結(jié)構(gòu)和協(xié)同控制等方面進行了廣泛而深入的研究，將機器人的重構(gòu)方式從最初的靜態(tài)可重構(gòu)升級為動態(tài)的自重構(gòu),建立了多種模型實驗系統(tǒng),在模塊化機器人的技術(shù)與性能上取得了長足的進步[6]。相較于國外對于模塊化機器人的研究，我國對模塊化機器人研究開展得比較晚,最早只有少數(shù)高校和科研院所對重構(gòu)機器人進行了研究，但是隨著科技的發(fā)展，可重構(gòu)機器人展現(xiàn)出非凡的發(fā)展前景，于是越來越多國內(nèi)高校開始投入到可重構(gòu)機器人的研發(fā)當中。國內(nèi)對于可重構(gòu)機器人的研發(fā)最早可以追溯到哈爾濱工業(yè)大學，其完成了第1代模塊化機器人的設(shè)計,搭建了一個具有20個模塊的實驗系統(tǒng),提出了一種基于子單元的分層規(guī)劃方法,并進行了部分模塊自重構(gòu)運動及非重構(gòu)運動實驗[7]。近年來，國內(nèi)許多高校都有對于可重構(gòu)機器人的研發(fā)項目，并取得了一定的成績。沈陽建筑大學仿照六足爬行昆蟲結(jié)構(gòu),設(shè)計了一種仿生可重構(gòu)式機器人移動平臺。行走機構(gòu)采用輪腿式,底盤可伸縮,以適應探測機器人復雜的地面工作環(huán)境[8]。中國科學院沈陽自動化研究所的劉明堯，李斌等研究了基于多Agent可重構(gòu)機器人的控制方法，將關(guān)節(jié)機器人的復雜控制轉(zhuǎn)換為多個簡單子系統(tǒng)。燕山大學河北省并聯(lián)機器人與機電系統(tǒng)實驗室基于用移動機器人代替農(nóng)民在農(nóng)田復雜環(huán)境下進行勞作、減輕農(nóng)民作業(yè)負擔的理念，提出一種輪/履形態(tài)可重構(gòu)移動機器人。該移動機器人由4個相同結(jié)構(gòu)的輪/履形態(tài)可重構(gòu)行走單元以及車體組成，具有輪式和履帶式2種行走姿態(tài)，以便適應野外復雜地形。輪/履運動形態(tài)的可重構(gòu)可以通過輪/履形態(tài)轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)[9]。如下REF_Ref25405\h圖1.1所示圖1.SEQ圖\*ARABIC1輪/履形態(tài)可重構(gòu)移動機器人整體結(jié)構(gòu)Fig1.1Overallstructureofwheel/trackshapeformreconfigurablemobilerobot南開大學人工智能學院研制了新一代可重構(gòu)模塊化蛇形機器人并研究了相應的多模態(tài)運動方法[10]。具體而言，新型蛇形機器人可以由任意多個模塊通過連接機構(gòu)重構(gòu)而成，每個模塊都是集成了驅(qū)動、控制、通信、電源于一體的可獨立運動的單元，模塊之間的連接機構(gòu)采用新型的便于切換的勾爪－插銷機構(gòu)。另外，針對可重構(gòu)模塊化蛇形機器人進行了多模態(tài)運動方法研究，具體包括輪式機器人運動模態(tài)、平面蜿蜒模態(tài)、側(cè)向蜿蜒模態(tài)、行波模態(tài)、攀爬模態(tài)、自主拆分模態(tài)等，并具體分析了攀爬運動及單模塊轉(zhuǎn)彎運動的性能，如下REF_Ref25623\h圖1.2所示圖1.SEQ圖\*ARABIC2RMR的CAD模型Fig1.2CADmodelofRMR1.3.2移載機器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀移載機器人目前的發(fā)展方向是無人化、智能化，追求在縮小整體大小的情況下盡量搬運更重物體。目前一共有四類移載機器人投入使用。1、類kiva式AGV:在電商倉儲行業(yè)，類KIVA式AGV搬運機器人應用最為廣泛，利用機器人頂部升降圓盤將貨物舉起，根據(jù)無線指令的訂單將貨物所在的貨架從倉庫搬運至員工處理區(qū)，從而實現(xiàn)其獨特的“貨到人”揀選優(yōu)勢。如下REF_Ref25731\h圖1.3所示圖1.3類KIVA式AGV搬運機器人Fig1.3KivalikeAGVhandlingrobot2、同軸叉車:技田信息的SOOKOO機器人模式是這樣的：分揀員面前有一個緩沖貨架，技田機器人取出目標貨箱后會把它運送到緩沖貨架上，人拿不拿SOOKOO不管，它放完就走，下一個SOOKOO再將拿來的貨箱放到暫存貨架上另外一個空庫位上，這樣機器人就避免了等待的時間，會更有效率。如下REF_Ref25787\h圖1.4所示圖1.4同軸叉車Fig1.4Coaxialforklift3、輪腿式機器人Handle:2017年，波士頓動力推出輪腿式機器人Handle，后經(jīng)改裝，將原來的雙臂被換成了機器人頭頂?shù)拇笮臀P式抓器。它將原版機器人變成了真正可用的機器——可以自動裝載和卸載倉庫中的貨物箱。波士頓動力表示，從技術(shù)層面來看，Handle可以搬動30磅重的箱子（視頻中搬了約12磅重的箱子），并且可以把托盤堆疊到大約1.2米深和1.68米高。如下REF_Ref25852\h圖1.5所示圖1.5輪腿式機器人HandleFig1.5wheelleggedrobothandle4、PickingAGV:與類KIVA式移動機器人相比，國自機器人推出的PickingAGV可直接鎖定目標SKU，并且一次可收集至少5個目標SKU箱，且從貨架區(qū)到工作站只需走一次，PickingAGV還具有一個自由旋轉(zhuǎn)的裝載平臺，在叉卸貨時無需轉(zhuǎn)彎，極大降低了存儲貨架區(qū)巷道寬度的要求。如下REF_Ref25979\h圖1.6所示圖1.6提貨AGVFig1.6PickingAGV1.4研究內(nèi)容與章節(jié)安排此次研究主要是設(shè)計可重構(gòu)重載移載機器人的機構(gòu)本體章節(jié)安排：第1章緒論：介紹任務(wù)相關(guān)內(nèi)容第2章初步方案設(shè)計：結(jié)合畢設(shè)任務(wù)書，對主要設(shè)計和研究任務(wù)進行說明第3章詳細方案設(shè)計：對詳細設(shè)計方案進行說明第4章成果展示：主要對設(shè)計成果（三維圖、二維圖和實物演示）第5張結(jié)論與展望：對畢設(shè)工作進行總結(jié)2初步方案設(shè)計2.1課題設(shè)計任務(wù)采用機械結(jié)構(gòu)與液壓驅(qū)動相結(jié)合的方式，選擇適當行進、傳動以及液壓控制實現(xiàn)礦下重型移載機器人機械本體的行進、頂升、叉臺、拖運、背負以及多機聯(lián)合協(xié)調(diào)作業(yè)。設(shè)計具備本體上獨立移動、作業(yè)、驅(qū)動，控制上可多機協(xié)調(diào)的移載和升降機械機器人本體模組，實現(xiàn)可重構(gòu)為叉、抬、馱運等構(gòu)型的模塊化礦用重型設(shè)備移載機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計。課題主要涉及工程復雜問題及解決方案2.2.1叉、馱、抬、拖功能的模塊化組合機械實現(xiàn)要求實現(xiàn)礦下重型移載機器人機械本體的行進、頂升、叉臺、拖運、背負以及多機聯(lián)合協(xié)調(diào)作業(yè)方案一：叉車式。設(shè)計靈感來源于叉車，其抬運方式類似于叉車，優(yōu)點是在實現(xiàn)叉和抬的功能時較為方便，還可以抬起底盤較低的物體。缺點是左側(cè)負重過于占空間，承重能力較弱，多為輕載機器人且多個機械本體連接方式單一，在實際使用時無法滿足多種情況。方案二：背負式。背負式靈感來源于已有移載機器人，優(yōu)點是可以更好利用空間，且不同機器單元連接方式較多，缺點是使用AGV傳統(tǒng)麥克納姆輪無法適應礦區(qū)地形以及爬坡要求。方案三：履帶運輸式。履帶的設(shè)計既能承受高負載，同時在有石子及凹凸不平的路段行進時也能保持機身整體穩(wěn)定性，缺點是車體自身過重，行動速度緩慢，且在轉(zhuǎn)場十分不方便。方案四：月球車式。設(shè)計時驅(qū)動系統(tǒng)模仿月球車的結(jié)構(gòu)，底盤較高，可以適應較大的坡度，同時在轉(zhuǎn)向時更加方便。經(jīng)考慮，最終整體方案選擇方案四，并在部分設(shè)計上進行了一些調(diào)整。2.2.2不同坡度下移載平臺的自適應調(diào)平要求在運輸過程中機器人在不同坡度時保存移載平臺的水平。方案一：通過液壓裝置調(diào)整，修改兩側(cè)液壓裝置的高低實現(xiàn)液壓平臺的水平，或者在設(shè)計液壓結(jié)構(gòu)時使用液壓彈簧，液壓系統(tǒng)自身也具備一定的自調(diào)平能力。此方案較易實現(xiàn)，且在底盤運行時不會影響機器人整體穩(wěn)定性。方案二：通過抬高后輪軸承高度實現(xiàn)液壓平臺的水平。這種方法較難實現(xiàn)，后輪在運行時升高可能影響機器人整體穩(wěn)定性。經(jīng)考慮方案一更容易實現(xiàn)。2.2.3自動尋路方案要求在運輸過程中機器人實現(xiàn)自動避障以及初始點與目標點之間的自動尋路。傳統(tǒng)的避障機器人移動平臺感知環(huán)境中的障礙物所用傳感器主要采用紅外開關(guān)、激光測距傳感器、超聲波傳感器、攝像頭等。方案一：鋪設(shè)軌道。提前鋪設(shè)軌道能夠直接選擇合適的路徑，但是運動過程過于死板且在軌道上出現(xiàn)障礙時機器人無法自行解決。同時考慮本設(shè)計要求的可重構(gòu)性時，軌道無法滿足多種組合方式，故排除。方案二：超聲波探測。超聲波具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點，然考慮到本設(shè)計運用于煤礦等噪音較大區(qū)域，會對機器人探測產(chǎn)生較大誤差，故排除[11,12]。方案三：激光雷達測距。激光雷達的優(yōu)點有分辨率高，隱蔽性好、抗有源干擾能力強，體積小、質(zhì)量輕低空探測性能好等，缺點是工作時受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小,傳播距離較遠。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里,衰減急劇加大,傳播距離大受影響且目前技術(shù)落地成本高昂。考慮到煤礦的灰塵較多，激光雷達會產(chǎn)生較大誤差，故排除。方案四：紅外線傳感。紅外線傳感器件功耗很小，隱蔽性較好，價格較低廉。缺點是容易受各種熱源、陽光源干擾且被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被報警器接收[13]。考慮到煤礦環(huán)境對紅外線傳感不會產(chǎn)生較大的影響，故本設(shè)計采用紅外線傳感。2.3總體方案確定圖2.1礦下重載移載機器人單個單元三維圖Fig.2.13Ddiagramofsingleunitofheavy-loadshiftingrobotundermine上圖為本次設(shè)計的礦下重載移載機器人單元的三維預覽圖，其中驅(qū)動部分由四個兩組電機驅(qū)動，驅(qū)動力更強，且前進后退都更加方便控制。輪胎使用氣胎輪，相較于鑄鐵輪胎滾動摩擦系數(shù)更小，驅(qū)動功率大大減小，有更長的續(xù)航能力。頂升平臺的調(diào)平控制采用液壓驅(qū)動，從可靠性、控制精度和經(jīng)濟性考量，選擇采用電液比例閥平衡閥等控制單個液壓缸的升降，同時在頂升平臺上安裝加位移傳感器，通過位移傳感器的閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)頂升液壓缸的調(diào)平。最后，為了實現(xiàn)叉車的功能，在頂升平臺內(nèi)部加入可折疊的鋼材結(jié)構(gòu)，在需要用到叉車的功能時通過手動將其展開，同樣通過液壓缸實現(xiàn)叉抬的功能。2.4非技術(shù)要素分析2.4.1工程與社會礦下重載移載機器人是一個典型的機電一體化的產(chǎn)物，設(shè)計初衷就是摒棄過去落后的搬運方式，幫助人抬運，托舉一些重物。從工藝性角度，在設(shè)計時盡量使用螺釘螺栓連接，減少安裝時的焊接。在設(shè)計車輪時采用輕量化設(shè)計，在車輪內(nèi)設(shè)計鏤空結(jié)構(gòu)，減少了材料的使用，同時減輕了車體自身的重量。2.4.2環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展礦下重載移載機器人在零配件的選擇上盡可能的使用標準件，減少不必要的在加工，節(jié)約人力財力。在能源使用上選擇電動機與電池驅(qū)動，與汽油相比更加清潔無污染，且充電電池也更具有可持續(xù)性。在設(shè)計時也考慮了較長的使用壽命，減少報廢率。2.4.3職業(yè)規(guī)范在礦下重載移載機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計時，嚴格遵守國家標準和行業(yè)標準，不違反社會道德，遵守機電工程師職業(yè)道德和行為規(guī)范。2.4.4項目管理礦下重載移載機器人在設(shè)計時，盡可能標準化設(shè)計，更易于與其他學科結(jié)合，減少不必要的經(jīng)濟支出。2.4.5個人和團隊礦下重載移載機器人是傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、機械技術(shù)的綜合運用，而我負責的礦下重載移載機器人本體設(shè)計是其中的一部分，在設(shè)計時我與其他成員交流意見，結(jié)合其他技術(shù)的設(shè)計，修改和改進機械結(jié)構(gòu)。3詳細方案設(shè)計3.1設(shè)計方案說明本次設(shè)計題目是可重構(gòu)礦下重型移載機器人本體的設(shè)計?，F(xiàn)如今移載運輸機器人主要的發(fā)展方向就是AGV，即裝備有電磁或光學等自動導航裝置，能夠沿規(guī)定的導航路徑行駛，具有安全保護以及各種移載功能的運輸車[14]。本次在設(shè)計時也主要參考了AGV的一些結(jié)構(gòu)，而普通AGV對運行環(huán)境有著較大的要求，需要地面平滑且沒有較大的坡度。因此在設(shè)計時參考了月球車與坦克車等適合在野外行走的車輪結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實際進行了一些修改，表3.1為設(shè)計時的參數(shù)。表3.1礦下可重構(gòu)移載機器人設(shè)計參數(shù) Table2.1Designparametersofthereconfigurableload-shiftingrobotunderthemine項目指標項目指標負載4噸續(xù)航能力8小時移載方式背負式車體尺寸1600*1000*700驅(qū)動方式兩組差速輪行走方向雙向行走運行環(huán)境室外通訊方式無限局域網(wǎng)行走速度20m/min爬坡能力20°3.1.1驅(qū)動部分的設(shè)計現(xiàn)代車體在轉(zhuǎn)彎時，通常有兩種模式，簡圖分別為圖3.2和圖3.3圖3.2旋轉(zhuǎn)車輪軸的方式Fig3.21Rotatingtheaxleofavehicle圖3.3旋轉(zhuǎn)車輪的方式Fig3.3Thewaythewheelisrotated旋轉(zhuǎn)車輪在設(shè)計車體時非常方便，只需要對車輪單元進行設(shè)計，現(xiàn)在常用的車輪有麥克納姆輪[15]（如圖3.4所示）以及萬向輪。圖3.4麥克納姆輪結(jié)構(gòu)的小車Fig3.4McNumwheelstructureofthetrolley考慮到工作環(huán)境有較多零碎的石子，路面也不夠平滑，如果有石子等異物卡進輪胎里，會導致無法轉(zhuǎn)向等問題，因此麥克納姆輪在結(jié)構(gòu)無法適應這樣粗糙的環(huán)境，故舍去。而萬向輪本身只能進行全方位的旋轉(zhuǎn)，無法自己控制旋轉(zhuǎn)的角度，只能作為承重時的輔助輪，不能作為調(diào)整方向的舵輪[16]，故也舍去。旋轉(zhuǎn)車輪軸的方式大致有兩種方案：方案一：小型驅(qū)動單元小型驅(qū)動單元如圖3.5所示，這種方案是絕大多數(shù)AGV采用的方案，優(yōu)點是選擇方便，維修簡單，且驅(qū)動單元自身可安裝減震裝置。但是輪底盤低，爬坡能力弱，幾乎沒有越障能力，故不適應礦下的環(huán)境要求。

圖3,5北京30T重載AGV驅(qū)動單元Fig.3.5Beijing30Theavy-loadAGVdriveunit方案二：大型的驅(qū)動單元這種方案優(yōu)點是可以使用直徑較大的車輪，但是因為車輪較大，旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩也會增大，因此需要較大的電機與減速器，這樣單組驅(qū)動結(jié)構(gòu)就會很大，在旋轉(zhuǎn)時可能帶來不變，需要在設(shè)計時考慮驅(qū)動部分與整體的連接，與旋轉(zhuǎn)角度的限制。最后驅(qū)動方案選擇方案二，車體自身為兩組組差速輪的結(jié)構(gòu)。如圖3.6圖3.6驅(qū)動部分結(jié)構(gòu)Fig.3.6Drivepartstructure車身與驅(qū)動部分通過轉(zhuǎn)軸相連接，在轉(zhuǎn)彎時，左右側(cè)車輪因為轉(zhuǎn)速不同造成行駛速度不同，整個驅(qū)動部分繞轉(zhuǎn)軸隨之扭轉(zhuǎn)，實現(xiàn)整個車體的轉(zhuǎn)彎。同時因為車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，車輪軸扭轉(zhuǎn)角度有限，避免了因為車輪軸過度扭轉(zhuǎn)而發(fā)生側(cè)翻的情況。摩擦分析：行走機構(gòu)承擔移載機器人重量與貨物重量，m=5000kg，最大移動速度vmax=0.35m/s，最大加速度a靜摩擦力：Fs=μs動摩擦力：Fd=μd慣性力：Fa=mamax空氣阻力：Fw=cρsv車輪阻力：F=Fd+F則F<3.1.2頂升部分的設(shè)計頂升部分的設(shè)計主要借鑒了已有AGV的頂升機構(gòu)，主體由四個液壓油缸與承重平臺組成，再根據(jù)實際情況與設(shè)計要求，進行了一些結(jié)構(gòu)上的改變，整體設(shè)計如圖3.7圖3.7頂升平臺Fig.3.7Liftingplatform相較于已有AGV，本次設(shè)計的機器人有一定的爬坡要求，因此便需要考慮在坡面的自適應調(diào)平，然而傳統(tǒng)的液壓油缸是直接與頂升平臺連接，在面對角度較大的調(diào)平時連接部分不能保持與承重平面水平，因此在設(shè)計時在液壓油缸與承重平臺中加入球型連接，類關(guān)節(jié)的設(shè)計能保證在遇到各種坡面時，承重平臺在自適應調(diào)平后能夠通過重力改變與液壓油缸的連接情況，避免了連接部分因為彎扭而損壞，如圖3.8所示圖3.8連接關(guān)節(jié)Figure3.8Jointhejoint目前為止已有移載運輸車主要分為叉抬式與背負式，分別實現(xiàn)叉抬與托舉的功能，而在設(shè)計本移載機器人時，為了同時實現(xiàn)二者的功能，在設(shè)計頂升平臺時進行了一些改變，加入了可折疊的叉桿，需要用到叉抬功能時可通過手動將其展開，同樣通過液壓油缸實現(xiàn)叉抬的功能。如圖3.9所示圖3.9叉桿設(shè)計圖Fig.3.9Designdrawingofforkbar3.2主要零部件設(shè)計與校核圖3.10車輪軸Fig.3.10Vehicleaxle軸所承受轉(zhuǎn)矩T=1.298×10轉(zhuǎn)速n=15軸傳遞功率P=Tn9550=初步確定軸的最小直徑計算公式dmin=A選取軸的材料為40Cr鋼，正火、回火處理，查表可以得A0取值范圍是112-97，取A0=1dmin軸的最小直徑d=55>54.037滿足要求。圖3.11車輪軸承Fig.3.11Wheelbearings車輪軸承選擇:已知車身本體重1000kg，額定載荷4000kg，則平均到每個軸所受載荷Fr為Fr=（1000+額定轉(zhuǎn)速n=15.92P=Fd=1.2-1.8,取1.6只受徑向力，X=1P=12250?1.6=19600(3-14)選取深溝球軸承，L’b取15000C=Pε60×取內(nèi)徑60mm，選取6312型軸承，額定載荷81.8kN圖3.12車軸齒輪Fig3.12axlegear車軸齒輪及相關(guān)校核因為電動機與減速器過長，通過一組相同的傳動齒輪使得兩個車輪在同一直線上。選擇齒輪模數(shù)8，齒數(shù)20，材料20CrMnMo，壓力角20°，齒寬50mm，分度圓直徑160mm，標準圓直徑60mm。校核齒根彎曲疲勞強度校核20CrMnMo齒面硬度700HBS[18]，取齒根彎曲疲勞極限σFlim[σFσF又kF取kA得kF又Ft得σF齒面接觸疲勞強度校核應力循環(huán),設(shè)一年工作300天，一天工作8小時，兩班制，工作壽命15年N=查取接觸疲勞壽命系數(shù)K20CrMnMo齒面硬度700HBS，取齒面接觸極限σHlim=則[σ齒面接觸疲勞強度公式如下σH其中kH取kA則kHZH得σH使用solidwork的有限元分析，下圖3.13與圖3.14分別為靜應力與位移的仿真圖圖3.13靜應力仿真圖3.14位移仿真Fig.3.13StaticstresssimulationFig.3.14Displacementsimulation3.3主要外購件選型與校核3.3.1驅(qū)動部分設(shè)計：已知在小車運動時車輪和地面為滾動摩擦，初選小車車輪材料為氣胎輪，查表3.15與表3.16表3.15不同地面的滾動摩擦系數(shù)Table.3.15Rollingfrictioncoefficientsofdifferentsurfaces地面剛或鑄鐵輪氣胎輪干沙土0.30.2濕沙土0.160.16泥濘粘土0.20.2草地0.140.08瀝青路面0.0150.02表3.16道路極限坡度角Table3.16RoadlimitslopeAngle角度θ坡度i說明0.116°20′無注明何種路面極限坡度0.063°30′碎石路面0.052°50′瀝青混凝土路面由圖知，在礦下滾動摩擦系數(shù)為δ，取0.02-0.2已知爬坡能力為tan（α）*100%，由查閱得知，載貨汽車30%左右；越野汽車

60%左右現(xiàn)初設(shè)能爬20°的坡，爬坡能力36.4%，額定載重4000kg，自重1000kg，預定額定速度20m/min初取車輪直徑400mm轉(zhuǎn)速n=20000/（3.14?400）=15.92r/min（3-31）由于對稱布置，小車每個輪子負載相同，為12250N在平地行駛時的驅(qū)動力矩M=fr=Gδr=12250×在20°爬坡的驅(qū)動力矩M=又M=9550?P/n（3-34）則p=2.17以2.17kw查找電機因為所設(shè)計運載機器人使用鋰電池，因此選擇直流電機選擇廣州市德馬克電機有限公司130M08030C5-E型號電機，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定功率2500w，輸入電壓AC220V，額定轉(zhuǎn)矩8N/m配套選擇東洋電機公司BLA15型直流電機驅(qū)動器,輸出轉(zhuǎn)速15.92，減速比取1：200又輸出扭矩1298N/m，查找選擇東洋電機公司PLF240減速器電機最大轉(zhuǎn)速3000r/min，減速比1:200，車輪轉(zhuǎn)速15r/min，此時車輪速度為V選型后根據(jù)零件大小車軸簡圖如圖3.17圖3.17驅(qū)動部分簡圖Fig.3.17Diagramofthedrivingpart電池選擇由于機器人大部分在平地行駛，現(xiàn)按平地功率計算電池容量已知在平地運行時一個電機運行轉(zhuǎn)矩為490N/M，由M=9550?P/n（3-36）則P=0.82kw（3-37）4個電機運行8小時，一共需要0.82×選擇深圳市卓毅科技有限公司生產(chǎn)的48V80AhAGV鋰電池，一個48v，80Ah，使用8個，可以提供30.7kwh的電量，足夠爬坡與控制部分的用電量。3.4控制系統(tǒng)簡介3.4.1移動部分的控制本次設(shè)計的可重構(gòu)重載移載機器人主要通過無線信號控制，首先通過gps確定機器人自身所在位置，然后選擇機器人行動的目的地，由于工作環(huán)境設(shè)置在礦下，地圖是固定的?？梢灶A先設(shè)定一些路線，機器人在行動時優(yōu)先選擇這些路線。同時機器人前后搭載紅外線傳感器[19]，實時監(jiān)測前方路況，然后根據(jù)障礙物大小控制車輪轉(zhuǎn)彎。當多個移載機器人同時工作時，可以通過矩陣計算多單元運動的軌跡，通過工地wifi統(tǒng)一控制移動與頂升物料。3.4.2頂升平臺的自適應調(diào)平由于本次設(shè)計的重型移載機器人根據(jù)實際情況需要的爬坡能力，因此在設(shè)計時需要考慮到在爬坡時液壓油缸的自適應調(diào)平。對于微小的角度，可以通過在液壓回路里安裝平衡閥，當運行在坡道上時，由于角度的產(chǎn)生，四個液壓油缸承受壓力會發(fā)生變化，平衡閥自動調(diào)整液壓油缸內(nèi)部壓力，達到自適應調(diào)平的目的。當遇到一些較大的坡度時，可以通過在頂升平臺上安裝傾角傳感器，得出頂升品臺與水平面夾角，便可通過矩陣的方法計算出，在爬坡時不同角度下四個液壓缸在豎直方向的位移，最后根據(jù)負反饋調(diào)整液壓缸伸縮的高度[20]。圖3.18傾角傳感器Fig.3.18Inclinationsensor圖為抬升平臺的簡化圖，為了便于分析，這里將整個平臺試做剛體，不考慮負載帶來的形變。一個平面可通過三個點或者兩個相交直線確定，由此，頂升平臺的位姿便可通過在平臺安裝傾角傳感器確定。當車身在斜坡上運行時，傾角傳感器產(chǎn)生信號，經(jīng)過運算可得到相鄰液壓缸在豎直方向的高度差，再通過反饋調(diào)節(jié)液壓缸高度，便可達到自適應調(diào)平的功能。圖3.19頂升平臺簡化圖Fig.3.19Simplifieddiagramofliftingplatform設(shè)平臺接觸面為XOY平面，則平臺的傾斜可視為沿Y軸方向的傾斜與沿X軸方向的傾斜，在這里分別設(shè)兩個方向的傾斜角為α與β。圖3.20傾斜示意圖Fig.3.20.Diagramofinclination取平臺上一點，設(shè)其初始坐標為（X0,Y0,Z0），頂升平臺繞Y軸傾斜后所得到的坐標點為（X1,Y1,Z1）用矩陣表示為（X1,Y1,Z1）T=Ry（α）（X0,Y0,Z0）=cosα平臺繞X軸傾斜角度β，用矩陣表示為（X2,Y2,Z2）T=Rx（β）（X0,Y0,Z0）=10將兩個矩陣相乘，（X3,Y3,Z3）=cosα由于在頂升過程中，平臺傾斜非常小，即傾角α，β無限趨近于0°，當傾角α，β無限趨近于0°時，sinαsinβ=0，cosα=cosβ=1，sin此時上式為（X3,Y3,Z3）T==現(xiàn)取頂升平臺四個支點A（0，0，0），B（La，0，0），C（La，Lb，0），D（0，Lb，0）以矩陣形式表示為A0B則A1B=10=由上式可知，各支點相對水平的豎直位移量為Z1=0，Z2=?最后給出補償命令，控制液壓系統(tǒng)驅(qū)動每個支點處的液壓缸做頂升或者下降動作，以使頂升平臺達到水平狀態(tài)。

4設(shè)計成果展示4.1立體布局圖礦下移載機器人一組驅(qū)動如圖4.1圖4.1礦下移載機器人一組驅(qū)動Fig.4.1Agroupofdrivingforcesforminedown-loadingrobot礦下移載機器人頂升部分如圖4.2圖4.3礦下移載機器人頂升部分Fig.4.3Mineliftingrobotliftingpart礦下移載機器人整體布局如圖4.4圖4.4礦下移載機器人整體圖Fig.4.4Overallpictureofminedownshiftingrobot4.2工程圖圖4.5礦下移載機器人a0裝配圖Fig.4.5AssemblydrawingofminedownshiftingrobotA05結(jié)論與展望5.1結(jié)論此次完成了對可重構(gòu)礦下重型移載機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計，對驅(qū)動方案與控制方案進行設(shè)計。在畢設(shè)中，使用soildworks對設(shè)計的可重構(gòu)重載移載機器人進行了三維建模，并用cad繪制了裝配圖與零件圖。對于一些控制方面的問題，提出了一些解決辦法，并將控制系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)有效銜接，將電子化設(shè)計與機械裝置結(jié)合一起，本專業(yè)能力，尤其是機械制圖，傳感技術(shù)、液壓控制技術(shù)的掌握得到了鍛煉和提升。在此次畢設(shè)中，查閱了一些與課題相關(guān)的國內(nèi)外與重型移載機器人相關(guān)文獻資料，了解國內(nèi)外重型移載機器人領(lǐng)域的發(fā)展；在面對復雜問題時，能與他人進行溝通；對設(shè)計文稿如何規(guī)范地撰寫有了進一步的了解。在收到團隊要求增加其他的任務(wù)時，去查閱相關(guān)資料，學習相關(guān)內(nèi)容，努力完成自己分到的任務(wù)，與團隊其他人分享以了解的知識、技術(shù)，鍛煉了溝通能力與個人和團隊意識。5.2展望在此次畢設(shè)中，自身的設(shè)計經(jīng)驗不足，在設(shè)計過程中，將整體結(jié)構(gòu)修改了許多次，浪費了大量時間。對設(shè)計所用到的程序編寫，三維和二維制圖軟件不夠熟練，效率較低。今后在設(shè)計時，要向有設(shè)計經(jīng)驗的前輩請教和學習跟過設(shè)計理念與方法，將強對機電專業(yè)設(shè)計過程中所使用的軟件的練習。本次設(shè)計的可重構(gòu)礦下重載移載機器人成品仍有許多不足，車輪部分未考慮減震設(shè)計，在改進時可以調(diào)整車輪部分的結(jié)構(gòu)，安裝車輪減震器。在實現(xiàn)叉車的功能時，由于車身結(jié)構(gòu)限制，在設(shè)計時主要考慮背負功能的實現(xiàn)，而叉抬功能較弱，未來仍可進一步改進，使其具有更強大的功能。最后，作為當代大學生，我們要不斷吸取知識養(yǎng)分，自我成長，不斷的適應社會技術(shù)發(fā)展，去熟悉機電系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)和發(fā)展。我們需要培養(yǎng)自我學習和終身學習的能力，為社會，為國家貼磚加瓦，貢獻出自己的一份力量。胸懷報效國家的理想和責任，具有自主學習和終身學習的意識、不斷學習和適應發(fā)展的能力，能夠熟悉機電系統(tǒng)設(shè)計、制造、運行以及相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)和發(fā)展。參考文獻[1]楊智慧.論煤礦采煤技術(shù)的發(fā)展與采煤自動化技術(shù)[J].石化技術(shù),2019,26(12):146-147.[2]朱建紅.復合型智能移載機器人AGV系統(tǒng)[J].裝備制造技術(shù),2020(11):194-196.[3]LiuJinguo,LiuYuwang,HaoG