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川III II l lI I ／I l l I ／l lI II I r ／l l f Y 3 7 1 2 5 7 7 煤炭科学研究总院 硕士学位论文 作者姓名徐勤宪 学科专业机械设计及理论 导师姓名王步康研究员 郭治富副研究员 完成时间二。二。年五月二十五日 万方数据 I I l l l l l l l l lL [ 1 l l [ I B I I I I I I I I I I II l U l I I I I I I l Y 3 7 1 2 5 7 7 C h in aC o a lR e s e a r c hIn s t i t u t e Ad i s s e r t a t i o nf o rm a s t e r ’Sd e g r e e R e s e a r c ho nT r a j e c t o r y P l a n n i n gT e c h n o l o g y o f A u t o m a t i cR o o fB o l t e r A u t h o r ’SN a m e ．- Q i n x i a nX u S p e c i a l i t y M e c h a n i c a lD e s i g n a n dT h e o r y S u p e r v i s o r P r o f ．B u k a n gW a n g A s s o c i a t eP r o f ．Z h i f uG u o F i n i s h e dt i m e M a y2 5 t I l ，2 0 2 0 万方数据 中图分类号 旦垒Q U D C6 2 1 学校代码璺曼墨Q 煤炭科学研究总院 硕士学位论文 自动锚杆钻车三角钻臂轨迹 规划方法研究 R e s e a r c ho nT r a je c t o r yP l a n n i n gT e c h n o l o g y o fA u t o m a t i cR o o fB o l t e r 作者筮勤杰 申请学位工堂亟 学科专业狃越遮让壁理论 答辩委员会主席王竖亮 导师王生鏖 培养单位态厦砑究院 研究方向芷出扭擅蟹篚丝复信皇丝 论文答辩日期至Q 至Q 生Q 墨旦 里目 二。二。年五月 万方数据 b 爆发斟字矾究总院 煤炭科学研究总院学位论文原创声明 本人郑重声明此处所提交的学位论文自动锚杆钻车三角钻臂轨迹规划方 法研究，是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人己发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名务彩缸期劢旃瑚够日 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 自动锚杆钻车三角钻臂轨迹规划方法研究系本人在煤炭科学研究总院攻 读学位期间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归煤炭科学研究总 院所有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解煤炭科学 研究总院关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文 的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀 博硕士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总库。本人授权煤炭科学 研究总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部 或部分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“√” ； 保密口，在 年解密后适用本授权书 不保密切 作者签名源勃钇 导师签名 日期≯刃年护，月≯乡日 日期2 0 2 0 年歹月27 日 万方数据 摘要 摘要 随着我国经济的发展，人们对煤炭的需求量愈来愈多，对煤矿生产的要求 也愈来愈高。2 0 2 0 年2 月，为深入贯彻落实国家“四个革命、一个合作”能源 安全新战略，加快推进煤炭行业供给侧结构性改革，推动智能化技术与煤炭产 业融合发展，提升煤矿智能化水平，八部委联合制定了关于加快煤矿智能化 发展的指导意见，指出煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。 而锚杆支护自动定位是煤矿智能化的“卡脖子”问题之一。因此，为符合国家 发展趋势，加快掘支过程的自动化控制进程；也为了加快煤矿开采的智能化与自 动化的发展进程，非常有必要开展自动锚杆钻车三角钻臂运动学、轨迹规划等 关键技术的研究工作。 论文的主要研究内容如下 1 建立了锚杆钻车钻臂的运动学模型。使用两步法对本课题研究的自动 锚杆钻车三角钻臂建立运动学模型，进行钻臂正向运动学分析，然后使用解析 法对钻臂各关节进行逆运动学求解，与此同时对支臂缸伸缩量与关节角的关系 进行求解，最后验证模型的正确性； 2 研究了自动锚杆钻车钻臂点位轨迹规划方法。通过对三次多项式、五 次多项式和三次B 样条曲线插值算法的研究，对钻臂的关节变量进行点位轨迹 规划，并进行了仿真实验。实验结果表明，三次多项式插值算法的优越性不如B 样条插值算法，而B 样条插值算法优越性小于五次多项式插值算法，但三次多 项式插值算法需要知道所有节点的速度，五次多项式插值算法更需要知道所有 节点的速度与加速度，而B 样条插值算法仅需知道始末节点速度即可对其进行 轨迹规划； 3 研究了自动锚杆钻车钻臂连续路径轨迹规划方法。首先对直角坐标系 空间轨迹规划中两种常用算法直线插补和圆弧插补进行了详细的研究；然后对 空间中多段直线连接或直线与圆弧连接时连接点处出现的尖角问题给出了解决 办法，即用圆弧在连接点处进行过渡，并在此基础上提出了在连接点处以三次 样条曲线取代圆弧曲线进行过渡的算法，最后又对此进行了仿真分析。 关键词自动锚杆钻车；钻臂；运动学；轨迹规划 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 万方数据 A b s t r a c t A B S T R A C T W i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y ’Se c o n o m y ，p e o p l e ’Sd e m a n df o rc o a li s m o r ea n dm o r e ．a n dt h ed e m a n df o rc o a lm i n ep r o d u c t i o ni sa l s oh i g h e ra n dh i g h e r ． I nF e b r u a r y2 0 2 0 ，i no r d e rt ot h o r o u g h l yi m p l e m e n tt h en a t i o n a l ”f o u rr e v o l u t i o n s ， o n ec o o p e r a t i o n ”n e we n e r g ys e c u r i t ys t r a t e g y , a c c e l e r a t et h es u p p l y ’s i d es t r u c t u r a l r e f o r mo ft h ec o a li n d u s t r y , a n dp r o m o t et h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t t e c h n o l o g ya n dt h ec o a li n d u s t r y ，i no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e l l i g e n c el e v e lo f c o a l m i n e s ，e i g h tm i n i s t r i e sa n dc o m m i s s i o n sj o i n t l yf o r m u l a t e dt h eg u i d i n go p i n i o n so n s p e e d i n gu pt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n c eo fc o a lm i n e s ，p o i n t i n go u tt h a tt h e i n t e l l i g e n c e o fc o a lm i n e si st h ec o r et e c h n i c a ls u p p o r tf o r t h eh i g h - q u a l i t y d e v e l o p m e n to f c o a li n d u s t r y ．A n dt h ea n c h o rb o l ts u p p o r ta u t o m a t i cl o c a l i z a t i o ni s o n eo ft h ec o a lm i n ei n t e l l e c t u a l i z e d ’ j a m m i n gn e c k ”q u e s t i o n s ．T h e r e f o r e ，i no r d e r t om e e tt h en a t i o n a ld e v e l o p m e n tt r e n d ，t os p e e du pt h ep r o c e s so f a u t o m a t i cc o n t r o l o f t h ee x c a v a t i o np r o c e s s ，a n da l s ot os p e e du pt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fi n t e l l i g e n t a n da u t o m a t i cc o a lm i n i n g ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h er e s e a r c ho nt h ek e y t e c h n o l o g i e ss u c h a st h et r i a n g l ea r mk i n e m a t i c sa n dt r a j e c t o r yp l a n n i n go ft h e a u t o m a t i cr o o fb o l t e r ． T h em a j o rs t u d yc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s 1 T h ek i n e m a t i c sm o d e lo ft h ed r i l la r mo ft h er o o fb o l t e ri se s t a b l i s h e d ．A t w o ．s t e pm e t h o di su s e dt oe s t a b l i s ht h ek i n e m a t i c sm o d e lo f t h et r i a n g u l a ra r mo ft h e a u t o m a t i ca n c h o rd r i l lt r u c ks t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h e nt h ef o r w a r dk i n e m a t i c so f t h ea r mi sa n a l y z e d ，a tt h es a m et i m e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee x p a n s i o no ft h e b o o mc y l i n d e ra n dt h ej o i n ta n g l ei ss o l v e d ，a n dt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e li s v e r i f i e d ． 2 T h et r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o do ft h ed r i l la r mp o i n to f t h ea u t o m a t i cr o o f B o l t e ri ss t u d i e di n t h i sp a p e r ．T h r o u g ht h er e s e a r c ho fc u b i cp o l y n o m i a l ，q u i n t i c p o l y n o m i a la n d c u b i cb - s p l i n ec u r v ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，t h ejo i n tv a r i a b l e so ft h e d r i l l i n g a r ma r e p l a n n e d a n dt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n ti s c a r r i e do u t ．T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h es u p e r i o r i t yo ft h eP o l y n o m i a li n t e r p o l a t i o n i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi s i n f e r i o rt ot h a to ft h eBs p l i n ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ， w h i l et h es u p e r i o r i t yo ft h eBs p l i n ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi si n f e r i o rt ot h a to ft h e P o l y n o m i a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，b u tt h eP o l y n o m i a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mn e e d s 万方数据 一 堡壅型堂婴壅璺堕堡主兰垡笙塞 ． ●，_ 一一 t ok n o Wt h es p e e do fa l lt h en o d e s ，a n dt h eP o l y n o m i a li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mn e e d s t ok n o Wt h es p e e da n da c c e l e r a t i o no fa l lt h en o d e s ，b - s p l i n ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m c a nb eu s e df o rt r a j e c t o r yp l a n n i n go n l yi ft h en o d ev e l o c i t yi sk n o w n 3 T h et r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o do f t h ed r i l la r mo f t h ea u t o m a t i cr o o f b o l t e r i ss t u d i e d ．F i r s t l y , l i n e a ri n t e r p o l a t i o na n dc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o n ，t w o c o m m o n a l g o r i t h m si nC a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e ms p a c et r a j e c t o r yp l a n n i n g ，a r es t u d i e d i n d e t a i lT h e ni tg i v e sas o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fs h a r pa n g l ea tt h ec o n n e c t i o np o i n to f m u l t i 。s e g m e n ts t r a i g h t l i n ec o n n e c t i o no rs t r a i g h tl i n ea n da r cc o n n e c t i o n ，t h a tI S ， u s i n ga r ct om a k et h et r a n s i t i o na tt h ec o n n e c t i o np o i n t ，o nt h i sb a s i s ，a na l g o r i t h m o f r e p l a c i n ga r cc u r v ew i t hc u b i cs p l i n ec u r v ea tt h ec o n n e c t i o np o i n t i sp u tf o r w a r d F i n a l l y , t h es i m u l a t i o na n a l y s i si sc a r r i e do u t ． K e yW o r d s A u t o m a t i cr o o fb o l t e r ；d r i l l i n gb o o m ；K i n e m a t i c s ；t r a j e c t o r yp l a n n i n g | 万方数据 目录 目录 1 绪论⋯⋯．．．．．．．．．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1 锚杆钻车研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2 钻臂类型概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．3 运动学研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．2 ．4 轨迹规划技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 锚杆钻车钻臂轨迹规划存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 本文研究内容与结构安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 自动锚杆钻车三角钻臂的运动学研究⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 运动学基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 ．1 位姿描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 ．2 关节坐标变换⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．1 ．3 连杆坐标系的选择⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 自动锚杆钻车钻臂的运动学问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．2 ．1 自动锚杆钻车钻臂的结构介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．2 ．2 正运动学求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．3 逆运动学求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．2 ．4 支臂缸伸缩量与各关节角的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．3 运动学仿真验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 2 ．3 ．1 运动学正解验证方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．3 ．2 运动学逆解的验证方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 2 ．3 ．3 支臂缸伸缩量的验证方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 2 ．3 ．4 运动学模型验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 自动锚杆钻车三角钻臂点位轨迹规划研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 ．1 三次多项式插值轨迹规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．1 ．1 己知起始点和结束点的三次多项式插值方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．1 ．2 具有中间点的三次多项式插值方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．2 五次多项式插值轨迹规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．3B 样条曲线轨迹规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．3 ．1 四阶三次均匀B 样条的推导方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．3 ．2 三次B 样条曲线的基本性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．3 ．3 求解控制点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 3 ．4 实验仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．4 ．1 多项式插值仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．4 ．2B 样条插值仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 自动锚杆钻车三角钻臂的连续路径轨迹规划研究⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 基于抛物线过渡的空间直线插补⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．2 基于局部坐标系的空间圆弧插补⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3 圆弧过渡的空间连续直线插补算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．3 ．1 连续直线插补连接点的处理方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 l 4 ．3 ．2 空间连续直线轨迹规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．3 ．3 空间直线一圆弧的轨迹规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．4 三次样条曲线过渡的空间连续直线轨迹规划⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 4 ．4 ．1 三次样条插值曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯．．5 7 4 ．4 ．2 插补算法算例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．5 实验仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 ．5 ．1 空间直线插补仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 4 ．5 ．2 基于局部坐标系的空间圆弧插补仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 4 ．5 ．3 圆弧过渡的空间连续直线插补算法仿真与分析⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 4 ．5 ．4 三次样条曲线过渡的空间连续直线轨迹规划仿真与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 5 总结与展望⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 致谢⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．8 5 万方数据 目录 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．．．．．8 6 万方数据 1 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景和意义 近几十年来，随着我国经济的发展，煤炭的需求量愈来愈多，对煤矿生产 的要求越来越高，如何使煤矿安全高效生产己成为了煤矿进一步发展的关键与 核心⋯。目前，全国大型及中型煤矿每年巷道掘进进尺超过1 0 0 0 0 k m ，6 0 ％以上 巷道采用锚杆支护工艺。但锚杆支护工艺存在众多的痛点问题 1 操作环境恶劣，人员受到冒顶、片帮、可呼吸性粉尘等威胁； 2 占用人员多传统的1 台单体锚杆钻机需要3 - 4 人配合；l 台机械化 锚杆钻车也需2 - 3 人作业； 3 锚护耗时长，占掘进循环周期的2 ／3 4 劳动强度大人工扛、抬、举支护设备和支护材料； 5 职业危害源多操作人员位于空顶区附近、可呼吸性粉尘，设备伤害 等。 此外，由于这些痛点问题导致采掘一线招工困难，煤炭工人老龄化问题逐 渐凸显。我国政府相关部门也对外发布过公告，明确提出了对我国煤矿开采技 术的创新性要求，以及在煤矿开采过程中逐步实现以自动化设备作业取代人工 作业、逐步迈向煤矿开采无人化的发展方向。 因此，锚护作业自动化、无人化是解决锚杆支护施工痛点问题的必由之路。 目前，锚杆钻车工作臂自动定位技术是支护设备自动化的瓶颈，工作臂运 动学及其轨迹规划技术更是自动定位的核心关键技术。因而，为了符合国家发 展趋势，加快煤矿开采的智能化与自动化的发展进程；也为了提高锚杆支护效 果，满足煤矿生产的大型化、高效化、安全化的发展的要求，并提高操作者人 身安全，降低操作者劳动强度，非常有必要对锚杆钻车主要工作机构 钻臂 的运动学、轨迹规划等关键技术进行研究，这也为锚杆钻车全自动化、智能化 的研究奠定了基础。 1 ．2 研究现状 1 ．2 ．1 锚杆钻车研究现状 万方数据 堡壅型堂堡塞望堕堡主堂焦堡塞 1 国外锚杆钻车的现状B 8 1 国外锚杆支护技术起步的比较早，从上个世纪4 0 年代就已经在巷道支护 工程中开始应用。经过数十年的不断完善与发展，锚杆支护设备已经从当初单 一功能、安全性低、技术性差的锚杆钻机发展到如今的功能多样性、支护安全 性高、技术性能优越、自动化和智能化程度高的新型锚杆钻车。 世界上第一台锚杆钻机诞生于2 0 世纪5 0 年代的美国。经过1 0 年左右时 间的发展，锚杆钻机开始应用于煤矿巷道支护工程中。到了7 0 年代，为了加快 锚杆支护在大断面巷道中的施工速度，国外很多公司逐渐推出了功能性多、机 械化水平高的台车式锚杆钻机，比如法国的赛克马公司、美国的英格索兰公司 以及瑞典的阿特拉斯公司等。这类钻机不仅能够钻锚杆孔，还能将锚杆锚入钻 孔内，基本实现了在一台钻机上完成钻锚杆孔和锚杆安装两种功能。到了8 0 至 9 0 年代，澳大利亚的采矿设备公司成功研制出了具备动力单一、重量轻及输出 转矩大等优点的轻型支腿式气动锚杆钻机，并广泛应用于澳大利亚、中国和印 度等国。而到了9 0 年代，美国的杰弗里公司和乔伊公司、奥地利的奥钢铁公司 以及英国的安德森公司等研制出的机载式锚杆钻装机可以与连续式采煤机及掘 进机配套使用，能够实现采掘锚一体化作业。新的锚杆钻装机不只在材料和工 艺方面有了突破，还使用了计算机控制技术，实现了锚杆支护设备的高度机械 化和自动化，使其在锚杆支护过程中能够更加的安全、方便与高效。 近年来，随着锚杆支护技术的完善与发展，包括美国的久益、澳大利亚的约 翰芬雷在内的多家国外煤机设备公司陆续推出了自动化和智能化水平越来越高 的新型锚杆钻车，其安全性和可靠性也大大增强。 2 国内锚杆钻车的现状I 。，8 1 上个世纪6 0 年代，我国借鉴从国外引进的锚杆钻机，开始对电动锚杆钻机 进行研发。但由于锚杆支护工艺没有得到广泛推广，锚杆钻机的发展也较为缓 慢。直到9 0 年代以后，锚杆支护工艺得到广泛的应用，我国对锚杆钻机的研发 才得以快速发展。 到了7 0 年代初，M G J 一1 型锚杆钻车在北京建井研究院研发成功，这是我国自 主研发的第一台具有安装砂浆锚杆功能的锚杆钻车。不久之后，又在此基础上研 发出了C G M4 0 型液压锚杆钻车，该钻车能够实现钻锚杆孔、安装锚杆和注浆三 种功能。1 9 8 0 年，煤科院南京所通过对阿里马克煤机设备公司的B V 系列钻机进 行消化、吸收，研发出了Y M J 一1 型锚杆钻车，该钻车适应于小断面岩巷条件，能 够实现全方位锚杆孔。之后，我国逐渐对单体锚杆钻机进行研究，并在借鉴从国 外引进的单体锚杆钻机，对其先进技术进行消化、吸收的基础上，逐步研发适应 于中国煤矿条件的锚杆钻机设备。 万方数据 1 绪论 自2 0 0 4 年以来，煤炭科学研究总院太原研究院在对引进钻机的消化、吸收 的基础上，结合我国的具体情况进行创新设计，研发出了C M M2 5 - 4 型四臂锚杆 钻车，如图I ．2 所示，该种钻车能够与连续采煤机配合使用。并在神东公司的 补连塔煤矿井下对此种钻车进行了工业性试验，其各项性能指标均能够满足预 定的各项指标，现已对该种钻车进行批量生产。 为了能够适应煤矿的地质条件且与掘进工艺进行配合使用，山西晋城无烟 煤矿业集团研发出了C M M2 - 3 6 型两臂液压锚杆钻车，并为此申请了实用新型专 利。而后几年，为了能够在煤矿巷道的大采高掘进工作面进行锚杆支护作业，该 集团与本地厂家共同研发了C M M2 - 1 8 型液压锚杆钻车，并于2 0 0 9 年在煤矿中 进行的工业性试验中取得初步成功。佳木斯煤机公司正在研制一种窄锚杆钻车， 该种钻车能够与悬臂式掘进机进行配合使用，使其可以从掘进机的一侧通过，进 行锚杆支护作业。 图1 ．1M G J - 1 型锚杆钻车 F i g ．1 ．1M G J 一1r o o f b o l t e r 图1 ．2C M M2 5 - 4 型四臂锚杆钻车 F i g u r e1 ．2C M M2 5 - 4f o u r - a r mr o o fb o l t e r 3 存在问题 我国对锚杆钻车的研究距离国际领先水平还有些距离。国外研制的锚杆钻 车已经实现了高度智能化，其锚杆支护作业基本可以通过计算机远程控制；而 我国对锚杆钻车的研制还处于半自动化状态，对锚杆钻车智能化的研究还未全 面展开。 1 ．2 ．2 钻臂类型概述 锚杆钻车钻臂是实现钻锚支护作业的主要工作部位，它的定位精度及控制 效果对钻锚杆孔和安装锚杆的效率有很大影响，是锚杆钻车的主要研究内容之 一。为了使锚杆钻车钻臂在狭窄的煤矿巷道中能够灵活地进行锚杆支护作业， 锚杆钻车通常使用多自由度关节耦合钻臂。 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论义 钻臂的划分种类众多，按运动方式可分为以下四种直接定位式钻臂、直 角坐标式钻臂、极坐标式钻臂以及直角坐标式与极坐标式相结合的复合坐标式 钻臂阳1 0 1 直角坐标式钻臂不适于单臂钻车，在其运动时，末端投影在工作面上的轨 迹依次沿着X 轴与Y 轴的方向移动，其具有结构设计简单、定位比较直观、操作 起来比较容易、可以独立控制各个关节的运动等优点，但此种钻臂会使用较多的 油缸、凿岩区域也会存在着盲区。 极坐标式钻臂适于单臂钻车，在其运动时，末端投影在工作面上的轨迹先 沿着旋转弧线移动，然后再沿着半径方向移动，其缺点是具有较大的转动惯量、 不利于操作等。因此这种钻臂在中国被采用的越来越少 复合坐标式钻臂适于单臂钻车，在其运动时，末端在工作面的投影轨迹是 直角坐标式和极坐标式的结合 直接定位式钻臂适于单臂钻车，在其运动时，末端投影在工作面上的轨迹 可以沿任意方向移动，因而可使末端直接运动到预定位置，以此来缩短钻臂运动 的时间，这种钻臂具有操作方便性好、运动平稳、凿岩区域无盲点、可以空间平 移等优点，但在对各关节的运动进行控制时会出现耦合，这会使控制的难度增 加。 图1 ．3 钻臂移位过程示意图 F i g1 ．3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fb o o mm o v e m e n tp r o c e s s 表1 ．1 钻臂比较表 T a b l e1 ．1d r i l la r mc o m p a r i s o nt a b l e 4 万方数据 1 绪论 1 ．2 ．3 运动学研究现状 运动学是研究机械臂不可避免的一部分，是对机械臂其它技术进行研究的 基础，其主要是对正运动学与逆运动学进行研究。机械臂的正运动学是指已知 各关节变量，对机械臂末端在直角坐标系空间中的位置与姿态进行求解；机械 臂逆运动学与之相反，即己知机械臂末端在直角坐标系空间中的位置与姿态对 各关节变量进行求解。 机械臂运动学中正运动学相对比较简单，而逆运动学有些复杂，大多学者 对运动学的研究主要是针对逆运动学。关于机械臂逆运动学求解常用的算法主 要有解析法、几何法及迭代法三种方法。文献[ 1 2 ] 对机械臂逆运动学求解是使 用解析法进行计算的，该算法对以后求解机械臂的逆运动学方程具有借鉴与参 考意义。解析算法的求解过程主要有以下几步首先根据约束条件建立具有多 个未知量的高次方程组，然后对此方程组通过消元、约分等方法进行化简，并 保证在化简过程中对每个方程的变换都是对同一未知解的变换，最后会化简为 只有一个未知量的高次方程，对此方程进行求解，即可得到方程的解，从而可 以求出全部的解析解。使用解析法求解逆运动学方程的优点和缺点都比较显著， 其优点是在计算过程中不用给定初始值，利用约束条件建立的方程式就能求出 全部方程的解析解，而缺点就是会有复杂的求解过程，而且在将多个未知量变 换成一个未知量的过程中容易出错，很难得到准确的只有一个未知量的方程， 并且在得到全部解析解后，还需使用其它方法才能选出其中的最优解，无疑会 使求解的过程更加的复杂。不同于解析法，用迭代法求解机械臂的逆运动学时 需要给定一组初始值，比如文献[ 1 3 ] 中的V ．JL u m e l s k y 就是在己知一组初始 值的条件下，使用优化算法对方程组进行迭代求解。使用迭代法对含有多个未 知量的方程进行求解时比较容易，但迭代法不能确定方程组解的数目，自然也 无法得到所有解。几何法对机械臂逆运动学的求解主要是依据关节角的转换关 系简化方程组，再利用迭代法或解析法求解简化后的方程，比如文献[ 1 4 ] 中 的J o r g eA n g e l e s 就是使用几何方法和解析法共同对逆运动学进行求解，几何 法一般都和其它算法配合使用。 对机械臂的逆运动学进行求解的智能优化算法也愈来愈多，其中常用的优 化算法主要有粒子群算法、遗传算法、神经网络算法等。文献[ 1 5 ] 利用D - H 法 创建了六自由度机械臂的数学模型，通过分析神经网络算法的优化流程，并结 合各关节变量与机械臂末端执行器间关系，设计出了粒子群优化神经网络算法， 并用此算法对机械臂的逆运动学进行求解。文献[ 1 6 1 在精英反向粒子群优化算 法的基础上引入交叉算子，增强粒子间的信息交换，进而对钻臂的逆运动学进 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论义 行求解。文献[ 1 7 ] 在量子粒子群优化算法的基础上，设计出了既能在串联机器 人中适用的运动学标定方法也能在并联机器人中适用的运动学标定方法，该方 法需先建立机器人的运动学误差模型，然后将误差模型内的几何误差源作为机 构参数的修正量，进而对机器人运动学进行标定。文献[ 1 8 ] 提出了一种能够在 多冗余自由度关节型机器人中进行逆运动学求解的人工智能算法，称之为“试 探性爬山法”，并对此算法进行了验证。文献[ 1 9 ] 针对凿岩机器人机械臂的独 特特点，设计了一种线性近似解耦一迭代的方法对机械臂的逆运动学进行求解， 该方法主要是通过将复杂耦合模型转变成多个单输入单输出的模型。文献[ 2 0 ] 在对凿岩机械臂研究基础上，针对多关节冗余机器人逆运
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