矿井巷道喷浆机械手的喷浆路径规划研究

作     者：张庭川 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李允旺

授予年度：2022年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：喷浆 路径规划 点云处理 

摘      要：喷浆支护是矿井巷道支护的一种基本形式,在对巷道起到支护作用的同时也能平衡围岩压力、填充并平整巷道壁面。传统的喷浆作业主要采用喷浆机进行人工操作,存在工作环境恶劣、工作强度大和效率低的问题。为提高喷浆作业自动化程度、减轻工人劳动强度、改善喷浆作业工作环境,本文研究喷浆机械手的喷浆路径规划,基于巷道三维重建模型中提取的信息,实现喷浆机械手喷浆路径自主规划,对提高巷道喷浆支护效率、实现自动化喷浆作业具有重要意义。本文的主要研究内容如下:首先基于巷道设计与开掘原理、依据喷浆作业环境特点,构建了八类巷道仿真模型。并基于自动喷浆作业流程、参考现有喷浆机械,设计了一种喷浆机械手以代替人工进行喷浆作业,进行了正逆运动学、工作空间、关节刚度与抗倾覆性分析,验证喷浆机械手性能满足要求。其次,为提高喷浆装备智能化水平,实现喷浆机械手自主路径规划,本文先基于巷道点云进行了三维表面重建,依据重建结果,采用地图化展开、点云分割与欧式聚类等点云处理技术进行了巷道尺寸、巷道类型与表面形貌分析。然后,将喷浆机械手的喷浆路径划分为平喷路径和填充路径两个阶段,并将点云分析结果作为路径约束选择依据,对机械手在两个阶段的路径规划算法进行了研究。最后,为验证本文中研究内容的正确性与所构建算法的有效性,基于ROS系统架构搭建了仿真环境,在所构建的八类巷道仿真模型进行多次仿真喷浆实验,初步验证所提巷道空间特征提取算法能够提取符合精度要求的巷道空间特征信息;所提路径规划算法能够适应不同喷浆作业工况规划喷浆路径,沿路径喷浆效果符合国家标准要求。并基于Mirobot六轴机械手搭建了喷浆模拟实验系统,使用Kinect深度相机扫描实际点云并与虚拟点云对比,验证虚拟点云的准确性;基于虚拟点云对模拟巷道内壁提取特征并规划喷浆路径;采用该喷浆路径,利用WLKATA Mirobot六轴机械手模拟喷浆过程,通过将规划的理论路径与实验路径进行数据对比分析,进一步验证基于虚拟点云的路径规划与机械手喷浆的可行性。