智能重載機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郭 超， 武 超

（洛陽理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南洛陽 471023）

0 引 言

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，越來越多的行業(yè)使用工業(yè)機(jī)器人代替人工作業(yè)，如電氣、煤礦、汽車和交通運(yùn)輸、化工塑料等。工業(yè)機(jī)器人根據(jù)其負(fù)載能力分為輕載和重載兩種，區(qū)分界限為100 kg。目前國內(nèi)重載工業(yè)機(jī)器人因負(fù)載能力、功能化、專用性等問題，尚處于開發(fā)的初級(jí)階段，與國際領(lǐng)先水平仍存在差距［1］。Fang等［2］設(shè)計(jì)并制作了機(jī)器人和運(yùn)動(dòng)控制器，采用簡單的控制算法，提高了重載機(jī)器人的控制性能。Lee等［3］提出了一種基于視覺的高精度手眼自標(biāo)定方法，應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人，該方法使用設(shè)計(jì)棋盤的已知精確位置來計(jì)算機(jī)器人末端執(zhí)行器和相機(jī)之間的關(guān)系，提高了手眼校準(zhǔn)精度，且在標(biāo)定過程中無需操作員干預(yù)即可高精度地執(zhí)行手眼校準(zhǔn)。Ninomiya等［4］提出了一種基于實(shí)時(shí)模擬器的三維傳感器自動(dòng)標(biāo)定方法，通過獲取實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)虛擬傳感器和真實(shí)傳感器的剛體坐標(biāo)變換，估算真實(shí)傳感器的相對(duì)位姿。

隨著我國煤炭需求的劇增，國家對(duì)煤礦產(chǎn)業(yè)安全治理的要求越來越高，煤礦智能化建設(shè)也愈發(fā)重要。開發(fā)應(yīng)用型煤礦機(jī)器人，逐步達(dá)到智能化無人生產(chǎn)，是實(shí)現(xiàn)煤礦產(chǎn)業(yè)安全生產(chǎn)的必由之路。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，重載工業(yè)機(jī)器人研制方面有了顯著成效，但這些重載機(jī)器人大多只能定點(diǎn)作業(yè)，且受環(huán)境因素的影響較大，尤其是應(yīng)用于巷道的智能化重載機(jī)器人，其研制進(jìn)展緩慢，智能化水平不高［5］。同時(shí)，在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常無法避免危險(xiǎn)區(qū)域的重載作業(yè)，如煤礦產(chǎn)業(yè)中的巷道建設(shè)以及交通運(yùn)輸行業(yè)中的隧道建設(shè)等，因其環(huán)境的特殊性，開鑿、挖掘、運(yùn)輸、修復(fù)、裝載等重載作業(yè)常常難以實(shí)施，且安全性難以得到保障。本文開發(fā)了一款智能化巷道重載機(jī)器人，該機(jī)器人除了具備挖、修、裝等基本智能化功能外，還具備高響應(yīng)、高靈敏、快速救援等特點(diǎn)，為安全化生產(chǎn)提供了有力保障。

1 巷道重載機(jī)器人結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1.1 機(jī)器人研究模型

選取煤礦巷道修復(fù)機(jī)為本研究的模型，煤礦巷道修復(fù)機(jī)主要用于巷道頂板、側(cè)邊以及底板的治理和修復(fù)，并且在巷道和隧道中具有破碎、扒渣、運(yùn)輸、裝載等功能。圖1為WPZ-37/600型巷道修復(fù)機(jī)，具備全角度旋轉(zhuǎn)式工作臂，能滿足各方向的工作要求。此外，其機(jī)身整體結(jié)構(gòu)較小，工作能耗小，具備在狹小、封閉等特殊惡劣條件下作業(yè)的優(yōu)勢。煤礦巷道修復(fù)機(jī)的廣泛應(yīng)用，不僅大大降低了工人的作業(yè)時(shí)間，也提高了煤礦產(chǎn)業(yè)的工作安全性，是推動(dòng)煤礦產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的有力保障［6］。

圖1 WPZ-37/600型巷道修復(fù)機(jī)

巷道修復(fù)機(jī)的主要組成包括挖斗、破碎錘、吊鉤、萬向機(jī)械臂、電動(dòng)機(jī)油泵站、履帶行走機(jī)構(gòu)及相關(guān)操作機(jī)構(gòu)等。其工作原理為：①驅(qū)動(dòng)方式：全液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)；②作業(yè)方式：通過萬向機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)巷道的多功能修復(fù)；③吊裝運(yùn)輸作業(yè)實(shí)現(xiàn)方式：在機(jī)械臂上安裝起吊鉤實(shí)現(xiàn)吊裝運(yùn)輸作業(yè)；④巷道平整作業(yè)實(shí)現(xiàn)方式：在履帶前方安裝推土鏟實(shí)現(xiàn)巷道平整作業(yè)［7］。

1.2 實(shí)體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

巷道修復(fù)機(jī)解決了復(fù)雜環(huán)境下煤礦巷道維護(hù)、修整的難題。但隨著時(shí)間的推移，其弊端也日益暴露，如自動(dòng)化程度不高、智能化水平不足、作業(yè)精準(zhǔn)度不高、人工化操控機(jī)制無法保障操作工人的安全等。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一款智能化、能夠遙控作業(yè)的巷道重載機(jī)器人具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。此外，因?yàn)橄锏婪忾]且狹小、環(huán)境復(fù)雜，所以巷道重載機(jī)器人的尺寸必須盡可能的小，以滿足其行走、修復(fù)等作業(yè)的靈活性要求。而且巷道中的危險(xiǎn)環(huán)境通常無法預(yù)知，因此設(shè)計(jì)的巷道重載機(jī)器人也必須同時(shí)具備實(shí)時(shí)獲取、感知四周環(huán)境，及時(shí)處理分析所獲取數(shù)據(jù)的能力，并達(dá)到精準(zhǔn)作業(yè)的要求。

本文以目前已發(fā)展成熟的巷道修復(fù)機(jī)為原型，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，滿足巷道重載機(jī)器人結(jié)構(gòu)要求，其改進(jìn)思路如下。

1.2.1 巷道重載機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巷道修復(fù)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案如下：

（1）優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡和結(jié)構(gòu)參數(shù)。參照運(yùn)動(dòng)軌跡及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法［8］，對(duì)以巷道修復(fù)機(jī)為原型的巷道重載機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡及結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

（2）優(yōu)化作業(yè)臂的結(jié)構(gòu)形式。巷道修復(fù)機(jī)作業(yè)臂的結(jié)構(gòu)形式一般以串聯(lián)形式為主，該形式下作業(yè)臂具備較大的作業(yè)空間，但因?yàn)楦鹘Y(jié)構(gòu)間均以串聯(lián)方式相連，故在機(jī)器人復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，每一結(jié)構(gòu)的細(xì)微缺陷都將一一累加，如制造、裝配、傳動(dòng)等誤差導(dǎo)致的缺陷，部件磨損導(dǎo)致的缺陷，以及各部件本身的柔性、穩(wěn)定性、控制性等缺陷，經(jīng)過累加放大后的缺陷必將對(duì)巷道修復(fù)機(jī)整體性能產(chǎn)生影響。為增強(qiáng)機(jī)器人的控制，提高執(zhí)行精度，可執(zhí)行的研究思路一方面是開發(fā)新型可升縮作業(yè)臂的結(jié)構(gòu)形式；另一方面是增強(qiáng)串聯(lián)模式下機(jī)器人辨識(shí)度優(yōu)化及控制技術(shù)。為解決剛性問題，提高作業(yè)臂的強(qiáng)度和剛度，考慮采用不同形狀、厚度的鋼材進(jìn)行焊接［9］。

（3）精簡冗余部件。將巷道修復(fù)機(jī)原型的兩套液壓裝置進(jìn)行整合。此外，還考慮重新優(yōu)化/設(shè)計(jì)關(guān)鍵機(jī)械部件，使用輕便、負(fù)載能力較高的作業(yè)臂結(jié)構(gòu)。

1.2.2 巷道重載機(jī)器人控制系統(tǒng)模塊重構(gòu)

巷道重載機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍以巷道修復(fù)機(jī)的控制系統(tǒng)為原型。若將巷道修復(fù)機(jī)的控制部分和執(zhí)行部分串聯(lián)執(zhí)行，其累積缺陷不利于機(jī)器人的穩(wěn)定性和控制性，故考慮將兩部分并聯(lián)執(zhí)行，減少缺陷的累積效應(yīng)，以提高重載機(jī)器人的整體性能，實(shí)現(xiàn)重載機(jī)器人在惡劣、狹小、封閉環(huán)境中快速、高效完成重載作業(yè)任務(wù)的要求。

根據(jù)重構(gòu)前后的控制系統(tǒng)對(duì)比圖（見圖2）可知：①重構(gòu)前的巷道修復(fù)機(jī)控制部分需要人工操控，重構(gòu)后的重載機(jī)器人增加了遠(yuǎn)程遙控方式，總站接收到遙控器發(fā)送的信號(hào)后傳遞給執(zhí)行模塊，進(jìn)行相關(guān)操作。②重構(gòu)后的重載機(jī)器人增加了傳感模塊，該模塊使得機(jī)器人能實(shí)時(shí)感應(yīng)自身系統(tǒng)的物理變量，并作出相應(yīng)的調(diào)整，如溫度傳感器能實(shí)時(shí)感應(yīng)溫度的變化，當(dāng)機(jī)器溫度超出預(yù)警范圍時(shí)，將發(fā)出警報(bào)，提升了機(jī)器使用的安全性；壓力傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到油壓信號(hào)的變化，提高液壓驅(qū)動(dòng)式重載機(jī)器人作業(yè)的穩(wěn)定性。③重構(gòu)后的重載機(jī)器人增加了監(jiān)控和通信模塊，這兩個(gè)模塊與傳感模塊并聯(lián)執(zhí)行，監(jiān)控和通信模塊的增加有利于實(shí)時(shí)掌握機(jī)器人的作業(yè)方位、提高位姿精確感知能力，以進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)。且并聯(lián)方式使得各模塊間互不影響，滿足不同作業(yè)需求［10］。

圖2 結(jié)構(gòu)修改前、后的巷道修復(fù)機(jī)控制系統(tǒng)圖

2 巷道機(jī)器人的智能化重構(gòu)

2.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇

機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓、氣壓、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械4種。其中，因氣壓驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性差、效率低；機(jī)械驅(qū)動(dòng)僅適用于簡單結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)器人，故這兩種驅(qū)動(dòng)方式均不考慮。液壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)器人的負(fù)載能力高、穩(wěn)定性好，但因壓力能是主要的能量轉(zhuǎn)換方式，故該驅(qū)動(dòng)方式對(duì)密封性要求較高，對(duì)環(huán)境溫度的變化較為敏感，而且液體在過大壓力下極易發(fā)生泄露，造成環(huán)境污染。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，控制靈活度更高，響應(yīng)更快，且成本低、效率高，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式在惡劣條件下不便于充電，且負(fù)載能力不高。

本研究對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩類方式進(jìn)行合并，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式主要用于重載機(jī)器人的一些簡單的、負(fù)載小的作業(yè)；液壓驅(qū)動(dòng)方式能承受更大的負(fù)載，故主要用于重載機(jī)器人挖、舉、吊等動(dòng)力能需求較大的作業(yè)。

2.2 監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，控制器會(huì)對(duì)重載機(jī)器人的穩(wěn)定性、控制性及作業(yè)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生直接影響。因多軸控制器設(shè)備的通信效率、信息的時(shí)效性與及時(shí)性較高，故選其作為重載機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的控制器。此外，在監(jiān)控模塊可視化環(huán)境的設(shè)計(jì)中，為使監(jiān)控人員可以直觀地看到機(jī)器人各部件的操作過程以及巷道內(nèi)的周圍環(huán)境，本文借助三維模型的搭建，設(shè)置虛擬化、可視化模型的關(guān)鍵屬性參數(shù)，得到相應(yīng)的實(shí)際運(yùn)行效果。

本文設(shè)計(jì)的重載工業(yè)機(jī)器人，監(jiān)控模塊主要對(duì)驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)模塊進(jìn)行監(jiān)控，電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控可實(shí)時(shí)觀察電壓的穩(wěn)定狀況，液壓的監(jiān)控可實(shí)時(shí)了解壓力大小，電動(dòng)機(jī)和液壓的監(jiān)控可避免漏電、漏液等異常情況的發(fā)生，提高整體的可靠性及安全性。

2.3 傳感模塊的設(shè)計(jì)

通過對(duì)傳感模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人本身設(shè)備狀況及四周環(huán)境的檢測，及時(shí)、準(zhǔn)確地了解機(jī)器人作業(yè)的具體情況。機(jī)器人同樣可以通過傳感系統(tǒng)獲取位置、環(huán)境等信息，并通過獲取信息快速準(zhǔn)確地作出判斷和規(guī)劃。

（1）搭建視覺傳感器。通過CCD傳感器實(shí)現(xiàn)視覺傳感器的搭建，對(duì)機(jī)器人本身而言，可增強(qiáng)其對(duì)周圍環(huán)境的判斷力，以作出相應(yīng)反應(yīng)，如障礙物處理、路線規(guī)劃等。對(duì)觀察、操作者而言，有助于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)遙控、精準(zhǔn)作業(yè)定位等功能［11］。

（2）搭建光敏傳感器。光敏傳感器的搭建使得重載機(jī)器人能夠感知光線的明暗變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，尤其適用于光線較弱的封閉巷道環(huán)境。

（3）多傳感器的結(jié)合。因單一的傳感器對(duì)信息的接收及數(shù)據(jù)的處理存在一定的局限性，無法全面地感知機(jī)器人整體的狀況以及巷道內(nèi)環(huán)境，故考慮將以上傳感器進(jìn)行融合搭建，實(shí)現(xiàn)光線與視覺的雙重效果，提升形成圖像的質(zhì)量。

2.4 控制模塊的設(shè)計(jì)

控制模塊包含了控制器、液壓泵和電動(dòng)機(jī)。本文設(shè)計(jì)的智能巷道重載機(jī)器人可通過傳感系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行模式進(jìn)行自我判斷從而作出選擇，如在行走模式下啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在多功能作業(yè)模式下啟動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)等。

此外，為實(shí)現(xiàn)巷道重載機(jī)器人對(duì)作業(yè)軌跡的規(guī)劃，在控制系統(tǒng)中增加了作業(yè)目標(biāo)識(shí)別數(shù)據(jù)庫，結(jié)合高精度的控制算法，使機(jī)器人能在巷道中實(shí)時(shí)獲取其位置、姿態(tài)等信息，時(shí)刻感知周圍突發(fā)狀況，以提高機(jī)器人作業(yè)的精度。控制模塊、傳感模塊與監(jiān)控模塊的結(jié)合有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自我的智能控制能力。各模塊間的控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 巷道重載機(jī)器人的模塊控制圖

3 數(shù)字礦山類智能巷道重載機(jī)器人構(gòu)建

為滿足數(shù)字礦山類智能巷道重載機(jī)器人的構(gòu)建要求，本文采用數(shù)字孿生技術(shù)，即利用物理模型，通過計(jì)算機(jī)仿真過程，在虛擬空間完成物理實(shí)體的空間映射，從而研制出高智能化的巷道重載機(jī)器人［12］。

3.1 機(jī)器人視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人位姿信息的判讀準(zhǔn)確性主要取決于機(jī)器人的視覺系統(tǒng)，早期機(jī)器人的視覺系統(tǒng)僅能從視覺信息中提取反饋信號(hào)，視覺定位精度較差。本研究采用的視覺伺服控制技術(shù)能夠較好的解決定位差的問題，進(jìn)而提升了機(jī)器人的視覺定位精度。為了更精確地提供機(jī)器人的姿態(tài)、加速度等信息，本文還搭建了擁有自主式導(dǎo)航系統(tǒng)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。視覺伺服技術(shù)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定位、自主式導(dǎo)航等智能化巷道重載機(jī)器人所具備的功能。

3.2 機(jī)器人數(shù)據(jù)交互模塊的設(shè)計(jì)

機(jī)器人數(shù)據(jù)交互實(shí)時(shí)性與精準(zhǔn)性的實(shí)現(xiàn)，不僅取決于機(jī)器人視覺系統(tǒng)對(duì)信息的采集，還要依靠數(shù)字化系統(tǒng)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析計(jì)算，并對(duì)下一步的執(zhí)行作業(yè)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷與決策，控制機(jī)器人各作業(yè)臂的協(xié)同工作，并以最佳位姿狀態(tài)進(jìn)行各項(xiàng)重載作業(yè)。機(jī)器人對(duì)數(shù)據(jù)的收集反映在數(shù)字化系統(tǒng)上，數(shù)字化系統(tǒng)通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的處理與分析，以及對(duì)機(jī)器人的作業(yè)進(jìn)行決策與控制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性與精準(zhǔn)性。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

巷道環(huán)境復(fù)雜，突發(fā)危險(xiǎn)狀況較多，發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)概率較高，為增強(qiáng)機(jī)器人在各種狀況下的及時(shí)應(yīng)變能力，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。本文采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過4D可視化模型的建設(shè)，真實(shí)再現(xiàn)巷道環(huán)境下機(jī)器人作業(yè)的實(shí)際情況，通過虛擬操作對(duì)機(jī)器人的巷道作業(yè)、事故狀況進(jìn)行模擬，以減少作業(yè)過程中的不確定性，降低事故發(fā)生率［13］。Ma等［14］提出了一種基于全景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)構(gòu)可視化方法，將全景球面圖像與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)獲取的隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)了全景虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸和信息訪問的及時(shí)性，并且能動(dòng)態(tài)展現(xiàn)機(jī)器人在巷道的作業(yè)過程。

3.4 智慧礦山體系建設(shè)

機(jī)器人通過自身的多傳感系統(tǒng)，可獲得大量的數(shù)據(jù)信息，需要借助云計(jì)算技術(shù)對(duì)收集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地存儲(chǔ)分析［15］。此外，涵蓋大數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、存儲(chǔ)、分析于一體的大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展同樣助力了智能巷道機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)。智慧礦山體系所要求的智慧分析、決策和行為，不僅需要云計(jì)算技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持，還需要各模塊間的協(xié)同作用。數(shù)字孿生系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各模塊間的互聯(lián)和互操作性，不同模塊間通過實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、協(xié)同的控制以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與數(shù)字間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)有效融合，為數(shù)字礦山類智能巷道重載機(jī)器人的建設(shè)提供了有效的技術(shù)保障，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能、高效、安全的巷道內(nèi)作業(yè)具有深遠(yuǎn)意義。

4 應(yīng) 用

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字礦山類智能巷道重載機(jī)器人已在煤礦產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用過程中收集了巷道修復(fù)機(jī)和智能巷道重載機(jī)器人連續(xù)7 d（每天工作8 h計(jì)）累計(jì)修復(fù)的巷道面積，作為工作量的衡量指標(biāo)。將采用人工作業(yè)的巷道修復(fù)機(jī)與采用遙控智能作業(yè)的巷道重載機(jī)器人的工作效率進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，本文開發(fā)的智能巷道重載機(jī)器人大大提升了煤礦產(chǎn)業(yè)的工作效率，其工作效率約為人工作業(yè)巷道修復(fù)機(jī)的10倍左右。

圖4 巷道修復(fù)機(jī)和重載機(jī)器人工作效率對(duì)比圖

5 結(jié) 語

本文通過煤礦巷道修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，采用油/電兩用新型高效混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過控制模塊、傳感模塊與監(jiān)控模塊等模塊間的協(xié)同控制，將云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)有效融合，構(gòu)建了完整數(shù)字礦山類智能巷道重載機(jī)器人開發(fā)體系。研究成果將進(jìn)一步推動(dòng)煤礦行業(yè)向智能化、無人化、智慧化發(fā)展。