金礦石開采及分選一體化設(shè)計

金礦石開采及分選一體化設(shè)計,金礦石,開采,分選,一體化,設(shè)計 哈爾濱工程大學本科學位論文 學 號___________ 密 級___________ 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 金礦石開采及分選一體化設(shè)計 院（系）名 稱： 機電工程學院 專 業(yè) 名 稱： 機械設(shè)計制造機器自動化 學 生 姓 名： 李帥 指 導 老 師： 趙剛 2007 年 6 月 哈爾濱工程大學本科學位論文 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 金礦石開采及分選一體化設(shè)計 院 （系）： 機電工程學院 專 業(yè) ： 機械設(shè)計制造機器自動化 學 號 ： 03071201 學 生 姓 名： 李帥 指 導 老 師： 趙剛 2007 年 6 月 哈爾濱工程大學本科學位論文 摘 要 當前金礦石的開采及分選過程中篩分出非礦石是一件繁重的勞動，需要人工在 礦山開采出含有和不含金礦的礦石，再用破碎機破碎運送到有專業(yè)設(shè)備的工廠進行篩 分好分選然后再次破碎最后留下有含有金礦的礦石進行提煉加工，因此在篩分礦石和 非礦石時造成了能源和人力物力財力的浪費，需要設(shè)計一種能在開采現(xiàn)場完成金礦石 開采和篩分選取的一體化設(shè)備。即可以省去資源的浪費，保證了人力的合理配置，優(yōu) 化了分選方法。我所設(shè)計的就是這么一種設(shè)備，工作重點是破碎機和篩分及選取模塊 的安裝配置分類排布和位置選取，還有支撐推進裝置的設(shè)計及其可行性的分析。其中 其他板塊的分類排布就是最前端是破碎機，然后是篩分模塊之后是分選模塊。支撐推 進裝置采用了比較可靠的六足液壓腿設(shè)計。每個腿機構(gòu)各采用一個液壓馬達和兩個液 壓缸來完成整體的順轉(zhuǎn)逆轉(zhuǎn)和伸縮推進功能。步態(tài)采用三角形穩(wěn)固支撐的方式。 關(guān)鍵詞： 一體化，分選，金礦石，六足。 哈爾濱工程學本科學位論文 Abstract The current gold ore mining and separation process of screening out non-ore is a heavy labor, Artificial needs in mining and non-containing gold ores. reuse crusher delivered to the professional equipment factory sieving good separation then again last broken left containing gold refine the ore processing, the screening ores and ore caused by the energy and financial resources of waste, need to design a scene can be completed in mining gold ore mining and screening of selected equipment integration. That might dispense with the waste of resources, ensuring the rational distribution of manpower and to optimize the separation method. I designed was, this kind of equipment. focus on crusher and screening and selecting the module installation configuration classification arrangement and location selection, Support also promote the design and feasibility analysis. With the other plate classification arrangement is the most front-end machine is broken, and then after the screening module is a module election. Support propulsion system using a more reliable six hydraulic legs foot design. Each leg of the institutions used a hydraulic motor and two hydraulic cylinder to the smooth completion of the overall downturn and extendable to promote functional. Gait using solid support triangular approach. Keywords : integration, separation, gold ore, six foot. 哈爾濱工程學本科學位論文 哈爾濱工程學本科學位論文 目 錄 第一章 緒 論 .............................................................................................................................1 1.1 論文的背景及意義 ...............................................................................................................1 1.1.1 問題的提出 ................................................................................................................1 1.1.2 設(shè)計一體化設(shè)備的意義 ............................................................................................1 1.1.3 研究背景 ....................................................................................................................2 1.2 國內(nèi)外研究狀況和相關(guān)領(lǐng)域的研究成果 ..........................................................................2 1.2.1 國內(nèi)的研究狀況 ........................................................................................................3 1.2.2 國外的研究狀況.......................................................................................................... 1.2.3 現(xiàn)階段面臨的任務(wù)...................................................................................................... 1.3 對課題研究的分析 ..............................................................................................................5 1.3.1 課題研究的設(shè)想.......................................................................................................... 1.3.2 預期結(jié)果和意義.......................................................................................................... 第二章 腿機構(gòu)的分析................................................................................................................. 2.1 腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .......................................................................................................................6 2.2 腿的結(jié)構(gòu)分析 .......................................................................................................................9 2.3 本章小結(jié)……………………………………………………………………………………. 第三章腿機構(gòu)的步態(tài)分析 .......................................................................................................13 3.1 腿機構(gòu)步態(tài)的基本分析 .....................................................................................................13 3.2 腿機構(gòu)的步態(tài)方案分析 .....................................................................................................16 3.3 本章小結(jié) .............................................................................................................................17 第四章步態(tài)的穩(wěn)定性分析 .......................................................................................................23 4.1 腿機構(gòu)的數(shù)學模型 ............................................................................................................23 4.2 對稱步態(tài)的性質(zhì) .................................................................................................................27 4.3 步態(tài)的選取準則.................................................................................................................... 4.4 步態(tài)的穩(wěn)定性分析................................................................................................................ 4.5 的足端運動軌跡曲線的確定................................................................................................ 4.6 本章小結(jié)................................................................................................................................ 哈爾濱工程學本科學位論文 第五章 動力源 .........................................................................................................................32 5.1 動力源的選定........................................................................................................................ 5.2 液壓缸的選取 ....................................................................................................................32 5.3 本章小結(jié) .............................................................................................................................34 總結(jié)............................................................................................................................................... 參考文獻 ...................................................................................................................................36 感謝 ...........................................................................................................................................38 哈爾濱工程本科學位論文 －1－ 第一章 緒 論 1.1 論文的背景及意義 1.1.1 問題的提出 黃金是具有商品價值和金融價值寶貴的戰(zhàn)略資源，在國民經(jīng)濟發(fā)展和社會進步中 起著重要作用。難處理金礦石已逐漸成為主要的開采對象。人們一般把用常規(guī)氰化金 浸出率不超過80%的金礦石，稱為難處理金礦石。銅金礦石是較典型的難處理礦石，也 是我國重要的黃金資源。含銅金礦石因銅含量較高，銅在氰化浸金過程中消耗大量的 氰化物而致使金浸出率不高或使浸出成本上升，造成提金在經(jīng)濟上不可行；另與CN-形 成銅氰絡(luò)離子影響后續(xù)作業(yè)。因此，難處理含銅金礦石的氰化浸出前，必須采取必要 的措施除去其他雜質(zhì)對金礦石提純的影響。 一般難處理含金礦石金的提取工藝，可分為以下幾類：①礦石或浮選精礦直接浸 出。這種方法由于含銅、鐵、銻等礦物會溶解于氰化物溶液中，消耗大量氰化物和氧， 效果一般不好。采用各種強化措施可改善直接氰化效果，如采用多段浸出工藝、采用 非氰化浸出工藝，如硫脲、硫代硫酸法浸出等。②礦石經(jīng)浮選將金、銅一起富集后產(chǎn) 生精礦送冶煉廠，在冶煉銅的過程中回收金。這種方法存在增加運輸費用，不可避免 產(chǎn)生精礦損失，金的回收率一般都較低，不能產(chǎn)出成品金等不足。③金礦石或選別后 的精礦經(jīng)預處理脫去銅、鉛、銻等賤金屬后再用氰化物或其它浸出劑浸出。這種方法 盡管會使工藝復雜一些，但預處理脫除銅、鉛、銻等金屬后，金的浸出率能夠獲得較 大改善，同時還可回收其它有價金屬。主要預處理方法有焙燒氧化法、細菌氧化法、 壓力氧化法、化學氧化法等。 哈爾濱工程本科學位論文 －2－ 但以上方法都有他們的局限性和缺點。而且還會造成資源浪費，而且都是在工廠 完成的，篩分方式也不先進。因此設(shè)計一種能應(yīng)用與開采現(xiàn)場的金礦石開采及分選一 體化設(shè)備就顯得尤為重要了能將開采，篩分，選取合而為一全部操作都在開采現(xiàn)場進 行，最后運送到冶煉廠進行秋末和冶煉。這樣不僅能減少支出，優(yōu)化配置，還能提高 處理量減少浪費。 1.1.2 設(shè)計一體化設(shè)備的意義 金礦石是一種很有價值的礦石，通過提純和冶煉，可以得到價值很高的黃金?？?是當前金礦石的提煉方法一般都是在礦山上先進行爆破操作，然后運用破碎設(shè)備進行 現(xiàn)場簡單破碎然后由運輸車運送到專門的工廠。這時的礦石中既有含有金礦的礦石也 有不含一點金礦的花崗巖等巖石，然后就要就行的是含有金礦的礦石的選取篩分和分 選。最后再進行二次破碎及回收利用。但是這個過程中浪費了很多資源和人力物力財 力。對資源的合理配置提出了要求。這樣做提高了生產(chǎn)效率減少了能源的浪費。 1.1.3 研究背景 金礦床在全國各省均有分布，但具工業(yè)規(guī)模的金礦床主要分布在我國中部、西 部和北部地區(qū)，以及近年新發(fā)現(xiàn)的成礦帶。在已探明的黃金儲量中，有 30％為難處理 金礦。據(jù)有關(guān)機構(gòu)不完全統(tǒng)計，我國難處理金礦遠景儲量達 1000 多噸， ，至少有 40 個以上儲量為 1～100 噸難處理金礦因環(huán)境問題而無法開發(fā)利用。這批難以利用的" 呆 礦"的處 理已成 為影響我國黃金工 業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要" 瓶頸"問題之一。隨著易采礦的大 量開采，難處理金礦資源的開發(fā)利用已成為黃金開采的一項重要任務(wù)。在難處理金礦 哈爾濱工程本科學位論文 －3－ 資源預處理技術(shù)方面，加速推廣新法預處理技術(shù)及加熱氧化法等先進技術(shù)，加快金礦 科技相關(guān)成套設(shè)備的引進和二次開發(fā)是十分迫切和急需的。 難處理含銅金礦石難選的主要原因是銅在氰化浸金過程中消耗大量的佩化物、銅 離子與 CN 一形成銅氰絡(luò)離子等。因此，難處理含銅金礦石直接氰化浸出往往浸出率 很低，必須經(jīng)預處理后金才能有效回收。預處理工藝主要有焙燒氧化、加壓氧化、化 學氧化、細菌氧化等，這些預處理技術(shù)近年來雖然也有了新的發(fā)展，也有各自的優(yōu)缺 點。 開采和冶煉金礦石是一項很復雜的生產(chǎn)過程，需要經(jīng)過多次破碎和提取冶煉操作， 但是并不是所有的礦石中都含有金礦成分，其中大約 30%為巖石成份，由于在破碎和 冶煉過程中對這３０％也當作含金的處理。所以造成了能源的白白浪費，提取黃金的 效率不高。如果能在開采現(xiàn)場進行以上操作，在運送到冶煉廠進行球磨和冶煉操作。 不僅可以節(jié)省運送過程的浪費，還能提高勞動效率和減少資源浪費。即設(shè)計一種步行 機來完成整個機體的移動和轉(zhuǎn)向的操作過程。 哈爾濱工程大學本科學位論文 －4－ 1.2 研究狀況和相關(guān)領(lǐng)域的研究成果 1.2.1 國內(nèi)的研究狀況 單一浮選 適用于處理粗、中粒的自然黃金鐵礦石。 混汞浮選 適用于處理自然金嵌布粒度較粗，儲存在黃鐵礦和其它硫化礦石。 重力選礦 是利用黃金與其它礦物比得的差異性進行浮選的方法。 炭漿法提金工藝 這種方法是80年代世界最先進的提金方法，用在處理含金褐鐵礦 氧化礦石的選擇效果更佳。既利用了原浮選系列閑置設(shè)備，又保證了炭漿法的浸出率。 冶 煉 總過程是通過熔化使熔液中的過剩硫等化合物氧化除去。 電解直接冶煉 以鋼棉為陰極直接熔煉得金銀合質(zhì)金。利用氰化物提金是目前世 界各國生產(chǎn)黃金普遍采用的方法。 國內(nèi)的金、銀精煉，在大型冶煉廠采用的有化學法，化學法--火法及電解法，而在 中小型黃金礦山一直延用火法煉金工藝，金回收率低，質(zhì)量不高。近幾年，隨著黃金 市場將逐步開放，并參與國際市場競爭，國家對金礦石的質(zhì)量要求也越來越高。因此， 各大中小型冶煉廠，特別是黃金礦山開始重視金、銀精煉提純工藝技術(shù)改進。如山東 招遠黃金冶煉集團公司，金泥冶煉廢除了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐火法煉金工藝，目前采用的是酸 化還原電解精煉工藝，而且提煉出來的金、銀質(zhì)量也大大提高。 因此綜上所述設(shè)計一種可以承載一體化設(shè)備的步行機很有必要。我國對于步行車 輛的研究起步較晚，但對松軟土壤上的車輛通過性能的研究還是較早的。2O世紀5O年 代吉林工業(yè)大學著名的地車輛系統(tǒng)力學專家陳秉聰開始研究，先后研制出塑料鑲齒、 高花紋、半步行輪、步行輪等非常規(guī)行走機構(gòu)．進行了運動學和動力學分析及田間試 驗。從2O世紀8O年代開始研究步行機，并取得了一系列的成果。其中2O世紀7O年代開 哈爾濱工程大學本科學位論文 －5－ 始，吉林工業(yè)大學由陳秉聰教授和莊繼德教授分別帶領(lǐng)的兩個研究小組，開始進行非 常規(guī)行走機構(gòu)的研究。1980年，中國科學院長春光學精密機械研究所采用平行四邊形 和凸輪機構(gòu)研制出一臺八足螃蟹式步行機，要用于海底探測作業(yè)，并做了越障、爬坡 和通過沼澤地的試驗。1985年，陸懷民博士研制出一臺具有兩條平行四邊形腿的步行 機耕船試驗臺車，在試驗中表現(xiàn)出較高的牽引效率，主要用于無硬底層的水田耕作； 1986年，高峰博士對步行車輛的全方位轉(zhuǎn)向進行探索，在步行車輛轉(zhuǎn)向理論方面有獨 到的見解，提出了一種全方位轉(zhuǎn)向機構(gòu)，設(shè)汁了有全方位轉(zhuǎn)向機構(gòu)的六足步行車輛 ARPSV；1989年，北京航空航天學在張啟先教授的指導，孫漢旭博士進行了剛足步行機 的研究，試制成功?臺四足步行機，并進行了步行實驗。錢晉武博士研究的地壁兩用六 足步行機器人，并進行了步態(tài)和運動學方面的研究。1990年時高民博士進行8個自由度 的六足步行車輛的研究，并試制了模型。同年，中國科學院沈陽自動化研究所研制出 全方位六足步行機 不僅能在平地步行，還能上樓梯。該所還研制了水下六足步行機以 及采用連桿機構(gòu)來實現(xiàn)動態(tài)步行的四足步行機模型。1991年，上海交通大學馬培蓀等 研制出JTuwM 系列四足步行機器人。JTuwM—III是模仿馬等四足哺乳動物的腿外形制 成，每條腿有3個自由度，由直流伺服電機分別驅(qū)動。在進行步態(tài)研究的基礎(chǔ)上，通過 對3個自由度的協(xié)調(diào)控制，可完成單腿在空間的移動。該機器人采用計算機模擬電路兩 級分布式控制系統(tǒng)，JTUWM— III以對角步態(tài)行走，腳底裝有PVDF測力傳感器，利用人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，采用力和位置混合控制，實現(xiàn)了四足步行機器人 JTuwM—III的慢速動態(tài)行走,極限步速為1.7 km／h 。為了提高步行速度，將彈性步行 機構(gòu)應(yīng)用于該四足步行機器人，產(chǎn)生緩沖和儲能效果。2000年，上海交通大學馬培蓀 等對第一代形狀記憶合金SMA驅(qū)動的微型六足機器人進行改進，開發(fā)出具有全方位運動 能力的微型雙三足步行機器人MDTWR一 .其第一代的每條腿只有2個自由度，無法實現(xiàn) 哈爾濱工程大學本科學位論文 －6－ 機器人的轉(zhuǎn)向，只能進行直線式靜態(tài)步行，平均行走速度為1 mm／s。將機體的主體部 分進行改進設(shè)計，由上下兩層相互平行的三叉支架組成，將六足改進為雙三足，引入 身體轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，采用新型的組合偏動SMA驅(qū)動器，使新一代的微型雙三足步行機器人 MDTWR具有全方位運動能力。2002年，上海交通大學的顏國正、徐小云等進行微型六足 仿生機器人研究的步行機器人外形尺寸為：長30mm，寬40mm，高20mm，質(zhì)量僅為 6.3kg，步行速度為3m／s。他們在分析六足昆蟲運動機理的基礎(chǔ)上．利用連桿曲線圖 譜確定行走機構(gòu)的尺寸，采用微型直流電機、蝸輪蝸桿減速機構(gòu)和皮帶傳動機構(gòu)，在 步態(tài)和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，進行控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計，步行實驗結(jié)果表明，該機 器人具有較好的機動性。微型六足仿生機器人2003年哈爾濱工程大學的孟慶鑫、袁鵬 等進行了兩棲仿生機器蟹的研究 ，從兩棲仿生器蟹的方案設(shè)計到控制框架構(gòu)建，研究 了多足步行機的單足周期運動規(guī)律，提出適合于兩棲仿生機器蟹的單足運動路線規(guī)劃 方法，并從仿生學角度研究了周期性節(jié)律性的多足步行運動的控制問題，建立了生成 周期運動的神經(jīng)振蕩子模型。 1.2.2 國外的研究狀況 國外發(fā)展的比較早?；景l(fā)展和創(chuàng)造更新歷史如下： 1966年，美國最早研制成計算機控制的四足步行機Phony pony。1977年又研制成 六足機Hexapod，其控制計算PDP的主要任務(wù)是解運動方程以協(xié)調(diào)驅(qū)動腿的18-4電機的 運動， 保證在整個行走過程中機身重心的垂直投影始終落在支撐足構(gòu)成的凸多邊形內(nèi)。 為了試驗更好的運動自治性，后又改用PDP l1／7O計算機， 安裝了力傳感器、姿態(tài)傳 感器和視覺傳感器．以實現(xiàn)力的均勻分配、姿態(tài)控制和提供更好的地面適應(yīng)性。1985 年美國又研制了一臺實用尺寸更先進的試驗樣機---- 適應(yīng)性主動隔振步行機 哈爾濱工程大學本科學位論文 －7－ (Adaptive Suspension Vehicle， 簡稱AgV)。AgV是監(jiān)控式步行機，它攜帶一名提供 監(jiān)控級命令的操作者，其中使用了與自治式動作相同的那些機械技術(shù)和控制技術(shù)操作 者通過控制桿和鍵控盒與機器發(fā)生聯(lián)系?？刂茥U在高速方式下提供3個自由度(縱向， 側(cè)向和轉(zhuǎn)向)的連續(xù)速度控制。除精確立足方式外，腿的協(xié)調(diào)和立足點的選取完全由機 器自動完成。AgV具有準全向運動(縱向和橫向)特性和機體連續(xù)運動特點。它的計算機 控制系統(tǒng)由l6臺Intel 88單板機組成；視覺系統(tǒng)的傳感器是砷化鎵激光射線地形掃描 器。動力系統(tǒng)采用流體靜壓系統(tǒng)。AgV有相當好的不平地面的適應(yīng)能力，它是迄今最先 進的步行機。 世界上第一臺微機控制的自持的(Selfcontained)六足步行機1983年在美國誕生該 機攜帶一散駕駛員。計算機、液壓系統(tǒng)、功力源(發(fā)功機)全部不帶任何電纜。美國 Obetics公司的六足機器人很有特點。六條腿均勻分布在一個圓形框架上，是對傳統(tǒng)的 長方形框架六足機的挑戰(zhàn)。它的特點是重量小(200kg)、載重大(400kg)，而且單腿可 以提起200kg的重物， 所以它的機械腿腿可以作為操作手使用(在遙控方式下)。全向 運動是它的另一個特點；由于對稱性和姿勢的可變性，所以它很適宜于有限空間內(nèi)的 運動，但是由于腿的自由度較小，所以在不平地面上的適應(yīng)能力欠佳。蘇聯(lián)于1977年 研制成監(jiān)控式六足步行機MGU，以后進展也很快。主要側(cè)重于多足機器人尤其是六足機 器人的研究日本六足機VI型于l980年研制成功，腿應(yīng)用三自由度縮放儀機構(gòu)，用l2個 直流伺服機構(gòu)驅(qū)動四條腿的運動，足端和腿邊裝有觸覺傳感器和姿態(tài)探測器，用微機 進行姿態(tài)控制以適應(yīng)不平地面的性能尤為優(yōu)越，由于采用了上下運動和水平運動解耦 的縮放式機構(gòu)，不僅簡化了控制算法，而且使能耗大為下降，是步行機腿機構(gòu)方面研 究的一個創(chuàng)新。另一臺四足機模型 TANI型是步行足和輪式的混合機，它比VI型更節(jié)能 用形狀記憶合金作為觸覺傳感器同時測量足與地面以及足與障礙物側(cè)面的接觸信息。 哈爾濱工程大學本科學位論文 －8－ 世界上第一臺實用的水下行走機于1979年在日本問世。該機是小松制作所研制的八足 步行機ReCUS。1984年，日本完成了MELWALKI型六足機的研制工作。法國研制了兩臺六 足機器人的模型H1型和H2型，均裝有旋轉(zhuǎn)掃描式超聲波測距儀，可避開障礙，自行導 航，相當高級。 國外主要有以下幾種冶煉方法：電解直接冶煉，利用氰化物提金等幾種常用方法。 國外采用沸騰爐焙燒的主要廠家有11家，以原礦循環(huán)沸騰爐焙燒和兩段沸騰爐焙燒為 多。如美國的IBM公司為處理部分包裹金和含有機炭的礦石采用了投資和操作成本最低 的兩段焙燒法。 國外已有幾座新建或擴建的大型巖金礦山采用重選法在磨礦回路中提取單體金的 方法。這些都是比較先進的回收率高、生產(chǎn)成本低、環(huán)境污染輕、生產(chǎn)周期短的精煉 技術(shù)。 1.2.3．現(xiàn)階段面臨的任務(wù) 時至今日，世界上很少有實用的步行機樣機問世，這是因為用機械實現(xiàn)步行很困 難， 問題主要有：(1)運動學，動力學問題復雜，仍然缺乏對這種系統(tǒng)全面，深刻的 理解。(2)腿各關(guān)節(jié)動作的協(xié)調(diào)控制很復雜，還有待于開發(fā)合適的控制方案和迅速可靠 的信息處理技術(shù)。(3)有待于開發(fā)適用的，使步行機識別復雜環(huán)境并做出準確判斷，反 應(yīng)的傳感技術(shù)。(4)還沒有適于用在各關(guān)節(jié)驅(qū)動的高效率，重量輕的驅(qū)動元件。(5)轉(zhuǎn) 向控制較為困難，有待于開發(fā)實用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。 1.3 對課題研究的分析 1.3.1 課題研究的設(shè)想 主要設(shè)計一種支撐機構(gòu)保證礦山的惡劣環(huán)境下的正常長時間穩(wěn)定工作，動力源也要 哈爾濱工程大學本科學位論文 －9－ 保證能有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。 設(shè)計之初想選用輪子作為支撐和移動部件。但輪子的推進和承載重量的問題不能 解決。而這六足液壓機械腿就沒有這種顧慮。六足液壓機械腿具有很多優(yōu)點足運動方 式由于具有較好的機動性、系統(tǒng)可以主動隔振、在不平地面和松軟地面上的運動速度 較高而能耗較少等其它地面推進方式所不具備的獨特的優(yōu)越性能, 具有廣泛的應(yīng)用前 景, 因此研究步行機器人具有現(xiàn)實意義。 腿數(shù)目的合理選擇, 對步行機構(gòu)設(shè)計是很重要的。對于實用型步行機的研制, 選 擇靜態(tài)穩(wěn)定步行方式作為設(shè)計依據(jù)還是比較穩(wěn)妥的。而實現(xiàn)這種步行方式最少腿數(shù)是 四條。到目前為止國外已經(jīng)研制出四足，六足和八足步行機構(gòu), 多數(shù)學者認為六足步 行機構(gòu)是最有發(fā)展前途的, 因為六足步行機構(gòu)具有如下優(yōu)點: (1) 三足立地穩(wěn)定余度 大。(2) 步行速度大。大多數(shù)的研究也都是圍繞六足進行的。因此選取了六足作為基 本支撐方式。 1.3.2 預期結(jié)果和意義 設(shè)計出一種一體化設(shè)備可以減少浪費提高效率，縮減成本，在世界制造領(lǐng)域戰(zhàn)友一 席之地。設(shè)計出的東西要滿足基本條件，能支撐所要承載的力和能穩(wěn)定移動。能實現(xiàn) 基本的運動，如轉(zhuǎn)向，抬起腿落下腿及移動等動作。保證整體能在礦山的特殊環(huán)境下 正常工作，動力源為柴油發(fā)電機，以保證能在惡劣，地面不平，不方便其他設(shè)備運行 的特殊情況下進行發(fā)電以保證機器正常運轉(zhuǎn)的操作。 本章小結(jié) 本章主要闡述一體化設(shè)備的實際意義，分析了當今的相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外的發(fā)展歷史 和更新變革?，F(xiàn)階段研究面臨的主要問題，還有實際工作中的例子。預期的結(jié)果和意 義也給予了說明。對問題進行了初步分析，決定了一些基本的東西。比如動力源的類 哈爾濱工程大學本科學位論文 －10－ 型和整體運行方式的基本選定。對課題進行了分析，提出了相關(guān)問題的自己設(shè)想的方 案。說明了設(shè)計一體化機的意義。 第二章 腿機構(gòu)的分析 2.1 腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計 國內(nèi)外學者對多足步行機器人的步行機構(gòu)已經(jīng)作了大量的研究工作，其結(jié)構(gòu)形式 是多種的。其中主要包括有以下幾種： 1.開鏈式步行機構(gòu)：在早期的步行機器人研究中，一般是模仿動物的腿部結(jié)構(gòu)來設(shè) 計步行機構(gòu)。一次依據(jù)仿生學的原理設(shè)計的這種機構(gòu)形式多是關(guān)節(jié)式的，其優(yōu)點在于 結(jié)構(gòu)緊湊，足端可以運動的空間很大，且運動靈活，由于關(guān)節(jié)式腿的關(guān)節(jié)是鉸接的， 因而在步行過程中的失穩(wěn)狀態(tài)下具有較強的姿態(tài)恢復能力。它的不足之處是在腿的主 運動平面內(nèi)，大小腿的運動之間存在耦合，使得運動的協(xié)調(diào)控制比較復雜，而且承載 能力較小。2.閉鏈式步行機構(gòu)：該種形式的機構(gòu)能克服開鏈式機構(gòu)承載能力低的缺點。 一般都剛性較好，功耗較小。目前也有多種型式的應(yīng)用。 機械部分是機器人所有控制及運動的載體，其結(jié)構(gòu)特點直接決定了機器人的運動 學特征，其性能的好壞也直接決定了功能可行性。多足步行機器人的機構(gòu)系統(tǒng)主要包 括機器人腿部件的布局、腿部件的結(jié)構(gòu)形式、腿的數(shù)量等，而其中腿部件的結(jié)構(gòu)形式 是多足步行機器人機構(gòu)的重要組成部分，是機械設(shè)計的關(guān)鍵之一。因此，從某種意義 上說對多足步行機器人機構(gòu)的分析主要集中在對其腿機構(gòu)的分析。一般地，從機器人 哈爾濱工程大學本科學位論文 －11－ 結(jié)構(gòu)設(shè)計要求看，腿的機構(gòu)不能過于復雜，桿件過多的腿機構(gòu)形式會引起結(jié)構(gòu)和傳動 的實現(xiàn)產(chǎn)生困難。因此對多足步行機器人腿的機構(gòu)的基本要求可以歸納為：實現(xiàn)運動 的要求，承載能力的要求和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)和方便控制的要求。 對于用輪子支撐和推進，在堅硬平地上運動是十分可靠的。對于不平度遠小于車 輪半徑的地面，通過充氣輪胎或其他彈簧阻尼系統(tǒng)的隔振，也可以實現(xiàn)有效的移動,但 是在不平地面上行駛時，輪式機器人的能耗將大大增加，而在松軟地面或嚴重崎嶇不 平的地形上，車輪的作用也將嚴重喪失，移動效率大大的降低。輪式車輛、履帶式車 輛雖好，但當在不平地面上行駛時，它們的能耗會大大增加，而在松軟地面或嚴重崎 嶇不平的地形上，車輪的作用將嚴重為了改善輪子對松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能 力，履帶式支撐應(yīng)運而生。履帶使車身載荷分布在一塊較大的面積上，相當于一種為 輪子鋪路的裝置，并且可產(chǎn)生較大的推進力，可在松軟地面上行走，而不至于陷入。 但履帶式機器人在不平地面上的機動性仍然很差，而且機器人機身晃動嚴重。足運動 方式具有其它地面推進方式所不具備的獨特優(yōu)越性能足式運動系統(tǒng)還可以通過松軟地 面(如沼澤、沙漠等) 以及跨越較大的障礙(如溝、坎等)。足運動系統(tǒng)在不平地面和松 散地面上的運動速度較高，而且能耗較少。 考慮到上述移動機構(gòu)的不足，通過研究設(shè)計了一種的足式運動機構(gòu)。這種機構(gòu)的 移動機器人具有如下十分優(yōu)越的性能： (1)足運動方式具有良好的機動性，即有較好的對不平地面的適應(yīng)能力。足運動方式的 立足點是離散的，可以在可能達到的地面上最優(yōu)的選擇支撐點，足式運動系統(tǒng)可以通 過松軟地面（如沼澤、沙漠等）以及跨越一些較大的障礙（如溝、坎、臺階等） ； (2)足運動系統(tǒng)可以有主動隔振，即允許機身運動軌跡與足運動的運動軌跡解耦， 盡管地面高低不平，機身運動仍可做到相當平穩(wěn)； 哈爾濱工程大學本科學位論文 －12－ (3)足運動系統(tǒng)在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，能耗較小。因此這種運動方 式可以滿足礦山的實際惡劣環(huán)境。 由于要設(shè)計一種能完成各種運動的機構(gòu)，開始決定用輪子支撐和推進。輪子的方案 不用太考慮支撐問題，可是精確移動卻不能完美解決，因此在參考了相關(guān)材料之后決 定采用六足機構(gòu)，選擇六足的原因?qū)⒃谙逻呍敿氄f明。這樣能保證整體的穩(wěn)定性和可 靠性，支撐力度大，移動精確性也可以保證。而機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計就要考慮到支撐強 度和移動可行性等問題了。因此采用了縮放機構(gòu)，可以達到上述要求，保證運動精度， 轉(zhuǎn)彎和伸縮的靈活性。 縮放機構(gòu)由于在其運動主平面具有運動解藕性、易于控制、當縮放比大于1時能以 較小的本體實現(xiàn)較大的空間運動等優(yōu)點, 因而被廣泛應(yīng)用于多足步行機的腿機構(gòu)。本 文采用縮放式腿機構(gòu), 其原理如圖1 所示。其中AC//ED, EB //CF, 當E點被固定時, A 點的運動將以 的比例傳到F點; 當A點被固定時, E點的運動將以K=K1+1 的比例傳到F點。因此可以用A點和E點的獨立控制來實現(xiàn)垂直方向與水平方向的分離驅(qū) 動,這就是該機構(gòu)的運動解耦性。該機構(gòu)有3個自由度,即A點的沿y軸方向的移動、E點 的沿x軸方向的移動以及整個機構(gòu)繞y軸的轉(zhuǎn)動。 哈爾濱工程大學本科學位論文 －13－ 2.2 腿的結(jié)構(gòu)分析 哈爾濱工程大學本科學位論文 －14－ 腿的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。每個腿機構(gòu)各采用一臺液壓馬達作為轉(zhuǎn)向的驅(qū)動源, 通過 控制各馬達的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn), 使各個腿機構(gòu)實現(xiàn)順轉(zhuǎn)、逆轉(zhuǎn); 每個腿機構(gòu)上裝配一個豎 直液壓缸和一個水平液壓缸, 通過控制豎直液壓缸活塞桿的伸縮, 使機械腿實現(xiàn)抬起、 落地; 通過控制水平液壓缸活塞桿的伸縮, 使機械腿實現(xiàn)前伸、收縮推動機體前進。 腳底采用球鉸結(jié)構(gòu), 這樣不但可使腳與地靈活接觸, 也可增大腳與地面的接觸面積。 液壓缸和液壓馬達的位置整個保證動力源的時刻供應(yīng)。 2.3 本章小結(jié) 本章主要分析了為什么要采用腿的結(jié)構(gòu),以及腿結(jié)構(gòu)的基本組成和可行性的分析。 哈爾濱工程大學本科學位論文 －15－ 簡要表述了腿的基本結(jié)構(gòu)和采用該結(jié)構(gòu)的原理。運用液壓馬達和液壓泵作為動力源來 實現(xiàn)機械腿的各種運動，腿機構(gòu)的好處和六足的穩(wěn)定性。整體的穩(wěn)定性和可靠性。支 撐力度大，移動精確性也可以保證，整體也更靈活，支撐強度可以保證。 哈爾濱工程大學本科學位論文 －16－ 第三章 腿機構(gòu)的步態(tài)分析 3.1腿機構(gòu)步態(tài)的基本分析 步態(tài)即各足著地的先后次序．顯然，此定義只反映了步態(tài)的時問特性而來反映其 空問特性，基于這一點，我們認為如下定義更能反映步態(tài)本質(zhì)的全貌：所謂步態(tài)就是 一個周期內(nèi)步行機的各足著地點的相對狀態(tài)及每種狀態(tài)所持續(xù)的時問．其中，相對狀 態(tài)是指各足著地點所組成的空間多邊形．這種空問多邊形周期性的變換(變換速度由各 狀態(tài)的持續(xù)時間來確定)導致步行機的連續(xù)移動。很顯然，以上定義包含了步態(tài)的時問 和空問兩種特性，而它們對步態(tài)來說是同等重要的．由于要進行六足的運動，而且要 在能保證支撐強度的情況下進行穩(wěn)定的移動。之所以選擇了六足是引文六足可以在保 證移動的情況下成三角形支撐狀態(tài)更加穩(wěn)固。 六足行走機器人是按照三角步態(tài)行走的，每三足為一組。目前，研制的各種六足 行走機器人往往采用單個電機驅(qū)動六足同時運動，這種方式雖然嚴格保證了六足行走 步態(tài)的協(xié)調(diào)性，但限制動作的靈活性，不能實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運動。采用兩個電機分別驅(qū)動三 足的行走，通過控制兩邊電機的轉(zhuǎn)速差，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運動。足的運動是靠連桿機構(gòu)實 現(xiàn)的，由于連桿機構(gòu)不可避免的加工誤差和電機性能的差異，無法保證機器人左、右 足的相位在行走中始終保持不變。當這種相位誤差積累到一定值時，會明顯感覺到機 器人行走的不協(xié)調(diào)，即出現(xiàn)所謂的步態(tài)失調(diào)現(xiàn)象。為了糾正這種現(xiàn)象，必須對行走中 的狀態(tài)進行檢測利用控制策略及時調(diào)整電機的運轉(zhuǎn)，糾正這種不正常的步態(tài)。 三角步態(tài)行走原理。許多昆蟲步行時，一般不是六足同時直線前進，而是將三對 足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組， 右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架。當一組三角形支 架中所有的足同時提起時，另一組三角形支架的三只足原地不動，支撐身體，并以中 哈爾濱工程大學本科學位論文 －17－ 足為支點，前足脛節(jié)的肌肉收縮，拉動身體向前，后足脛節(jié)的肌肉收縮，將蟲體往前 推，因此身體略作以中足為支點的轉(zhuǎn)動，同時蟲體的重心落在另一組三角形支架的三 足上，然后再重復前一組的動作，相互輪換周而復始。這種行走方式使昆蟲可以隨時 隨地停息下來，因為重心總是落在三角支架之內(nèi)。這就是典型的三角步態(tài)行走法，其 行走軌跡并非是直線，而是呈“之”字形的曲線前進。三角步態(tài)是六足機器人的兩組 腿(身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足)，即處于支撐三角形上的三條腿的動作完 全一樣，均處于擺動相或均處于支撐相。 由于使機器人行走是一件相當浩大的工程，不論是模仿人類或各種動物，都因為 須考慮到機器人行走時重心的移動而面臨相當大的挑戰(zhàn)。以人類為例，人類站立不動 時重心是位于中央的，當抬起其中一只腳時，人類的神經(jīng)會反射性的命令肌肉將本身 重心移動到站著的另一只腳上，接下來抬起的腳落地，重心回到人身中央，然后繼續(xù) 重復之前的步驟，這種行走方式稱為靜態(tài)步行。但是由于現(xiàn)在科技很難用機器模擬以 上的生物動作，所以在機器人的行走方面便由模擬人類行走轉(zhuǎn)變成學習自然生態(tài)中行 走方式較為簡單的昆蟲。自然界中的昆蟲都擁有六只步足，這六只腳在維持重心上都 發(fā)揮了相當大的作用；當六只腳都站立在地面上的時候，重心維持在身體的中心部位； 要向前移動時，先將其中一只前腳向前跨越，在這動作之間，其他的五只步足都是不 動的，另外就算移動其他的腳，其他步足也是站立在原地不動的，因為這樣可以將身 體的重心繼續(xù)固定在原來的位置，所以不必擔心跌倒的問題。接下來，等跨出的腳重 新站立在地面上并穩(wěn)定后，另一只前腳再重復剛才的動作前進，如此一來每只腳就形 成了一種循環(huán)，重復進行這項循環(huán)，昆蟲的前進方式便出現(xiàn)了，而六足機器人也就可 以依照這種循環(huán)來進行步行前進的動作。這種行走方式的優(yōu)點是相當平穩(wěn)，較不會失 去重心，相當適合大型機器人，也很適合各種探險用的機器人。但是，這種行走方式 哈爾濱工程大學本科學位論文 －18－ 并不是沒有缺點，為了穩(wěn)定重心，每只步足要移動時其他的步足就必需靜止不動來維 持重心，所以移動的速度會因此減慢，這個缺點在大型機器人的身上將會更為明顯。 賦予機器人工作任務(wù)使其動作的方式如下： 1．機器人先經(jīng)人導引，預先教導其作業(yè)內(nèi)容，在移動的同時利用傳感器將各軸的 轉(zhuǎn)動信息讀入并記憶。要使機器人照原來軌跡移動，只需要回放儲存的記憶容即可動 作。也就是說藉由教導→記憶→重放三個步驟完成驅(qū)使機器人動作的方法。 2．可分為運動控制及動作順序控制，其中運動控制分為軌跡位置控制及速度 控制等。現(xiàn)在六腳機器人的發(fā)展已經(jīng)越來越趨近于成熟，在軌跡的撰寫方面也不再局 限于第一種方式，藉由動作控制方式中的運動控制（內(nèi)部包括軌跡控制和數(shù)度控制）、 動作順序控制方式，更產(chǎn)生了點到點控制法、函數(shù)補間控制法、直線補間法、立方多 頂式補間法、五次方多頂式補間法、多段拋物線與直線混合補間法和追蹤控制法等各 種不同的控制方法。 六足機器人的好處，舉例來說，四腳的機器人平衡較差，如果一腳舉起，整個機 器就易翻倒。但是一個六腳的機器人，卻可以每一只腳舉起時仍然維持三足鼎力的姿 勢，或者它可以在不影響其平衡安定的狀況下，舉起任何兩只腳。由于六足機器人的 構(gòu)造主要是藉由模仿昆蟲而成的，所以六足機器人一共擁有六只步足，并且在每只腳 上至少擁有三個自由度，使機器人能順利的像昆蟲般行走，而驅(qū)動這些自由度的動力 大致上有電壓、油壓，氣壓等等；藉由這些動力，便能使機器人腳上的關(guān)節(jié)能依照自 由度行動。 因此選用3.3各一列的方式三角形穩(wěn)固支撐。 哈爾濱工程大學本科學位論文 －19－ 3.2腿機構(gòu)的步態(tài)方案分析 設(shè)計的步行機步態(tài)如圖所示： 哈爾濱工程大學本科學位論文 －20－ 把機器人的六條腿分為兩組, 1、3、5 為一組, 2、4、6為另一組。機器人開始運 動時，左側(cè)的2號腿和右側(cè)的4、6號腿抬起準備向前擺動，另外3條腿1、3、5處于支撐 狀態(tài)支撐機器人本體確保機器人的原有重心位置處于3條支撐腿所構(gòu)成的三角形內(nèi)， 使機器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒(見圖(a))，擺動腿2、4、6向前跨步(見圖(b))，支 撐腿1、3、5一面支撐機器人本體，一面在小型直流驅(qū)動電機和皮帶傳動機構(gòu)的作用下 驅(qū)動機器人本體，使機器人機體向前運動了半個步長S(見圖(C))。在機器人機體移動 到位時，擺動腿2、4、6立即放下，呈支撐態(tài)，使機器人的重心位置處于2、4、6三條 支撐腿所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，原來的支撐腿1、3、5已抬起并準備向前跨步(見圖 (d))，擺動腿1、3、5向前跨步(見圖(e))，支撐腿2、4、6此時一面支撐機器人本體一 面驅(qū)動機器人本體，使機器人機體又向前運動了半個步長S(見圖(f))，如此不斷從步 態(tài)(a)、(b)、(C)、(d)、(e)、(f)、(a)，循環(huán)往復，周而復始實現(xiàn)機器人不斷向前運 動。轉(zhuǎn)向和各個動作互相合成等常規(guī)動作。 機器人的轉(zhuǎn)向由液壓馬達實現(xiàn), 機械腿的逆轉(zhuǎn)與順轉(zhuǎn)是由液壓馬達的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn) 的, 液壓馬達的正反轉(zhuǎn)是通過控制三位四通電磁換向閥改變油路來實現(xiàn), 前進時腿與 前進方向一致, 而機體并不轉(zhuǎn)動。這樣使步行機的轉(zhuǎn)動非常方便, 并可實現(xiàn)全方位的 行走。即可以抬腿，收腿和轉(zhuǎn)向，反方向的也是如此。 機器人在行走過程中，兩組機械足交替支撐。兩組足中的任一組3足可獨立支撐起 整個機器人身體，機器人重心始終落在A組或B組3足的三角形區(qū)域內(nèi)，因此在平面爬行 中沒有傾覆的危險。 機器人具有獨立的直行和轉(zhuǎn)彎機制，兩者可在各自的允許范圍內(nèi)任意方式結(jié)合， 這就使得機器人的爬行十分靈活。可以完成各種轉(zhuǎn)彎和倒退行進方式。由于采用六足 的設(shè)計，因此在其中三足進行前進，后退和轉(zhuǎn)彎等操作是其余三足可以進行三角形穩(wěn) 哈爾濱工程大學本科學位論文 －21－ 固支撐。 六足步行機器人的步態(tài)是多樣的,其中“3+3”步態(tài)是六足步行機器人實現(xiàn)步行的 典型步態(tài)。該步態(tài)是將機器人的6條腿分為2組,腿1、3、5為A組,腿2、4、6為B組,步行 過程2組腿交替地擺起、放下。其步態(tài)的規(guī)劃包括:擺腿順序選擇及最大跨步和最大轉(zhuǎn) 動角度的計算等。 步態(tài)設(shè)計是實現(xiàn)步行的關(guān)鍵之一，為達到較為理想的步行，考慮下列要求：(1)步 行平穩(wěn)、協(xié)調(diào)，進退自如，無左右搖晃及前后沖擊；(2)機體和關(guān)節(jié)問沒有較大的沖擊， 特別是在擺動腿著地時，與地面接觸為軟著陸；(3)機體保持與地面平行，且始終以等 高運動，沒有明顯的上下波動；(4)擺動腿跨步迅速，腿部運動軌跡圓滑，關(guān)節(jié)速度與 加速度軌跡無畸點；(5)占空系數(shù) ?的合理取值。 靜態(tài)穩(wěn)定的多足步行機由于對故障的自適應(yīng)性， 是不平地面和松軟地面行走較為 理想的工具。實驗和觀察表明， 在崎嶇不平的堅硬地面上行駛(行走)的平均速度，履 帶式車輛為8～16 km／h，輪式車輛為5～8 km／h，而足行走動物的奔跑速度可高達56 km／h在有25．4 cm深軟土的地面上，履帶車的所需推進功率為7460 W／T，輪式車輛 為11300 W／T，而步行機器人只需5220 W／T 。 由于六足步行機具有較優(yōu)良的綜合性 能指標，成為國內(nèi)外研究的熱門課題．據(jù)統(tǒng)計，六足步行機實物模型樣機占多足機的 半數(shù)以上I ，靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)研究是實用步行機研究中不可缺少的，它是開發(fā)步態(tài)控制 器和穩(wěn)定性監(jiān)視 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 對于確定結(jié)構(gòu)的六足行走系統(tǒng)， 步態(tài)式可 完全描述規(guī)則周期直線步態(tài) ??236,,g???? 經(jīng)觀察研究發(fā)現(xiàn)，縱向運動多足行走動物的步態(tài)具有對稱性質(zhì) ．以往的縱向運動六足 哈爾濱工程大學本科學位論文 －22－ 步態(tài)研究， 僅限于中腿行程無外置的特定幾何模型，對六足步行機對稱步態(tài)穩(wěn)定性和 最優(yōu)步態(tài)的證明基于中腿行程外置的一般化模型(如下圖)， 更接近于實際生物 3.3本章小結(jié) 本章主要分析了機械腿的步態(tài)設(shè)計，基于仿生學的原理，在分析六足昆蟲運動機 理的基礎(chǔ)上。得出了六足的最穩(wěn)定步態(tài)及基本運行方式。步態(tài)采用了比較常見的3+3的 運動方式。運行時腿呈三角形支撐，整體相當穩(wěn)固。要協(xié)調(diào)，進退自如，避免整體搖 晃，保證上面運送的機器的安全性。 第四章 步態(tài)的穩(wěn)定性分析 4.1腿機構(gòu)的數(shù)學模型 為了便于對步態(tài)進行定性和定量分析，有必要建立其數(shù)學模型．根據(jù)定義，我們可如 下進行．步行機各足均有兩種狀態(tài)，即著地和騰空，分別用 0 和 r表示．于是步行機 哈爾濱工程大學本科學位論文 －23－ 的第1條腿在 一個周期內(nèi)兩種狀態(tài)的變換次序可以表示為R=[m1,m2...,mn]其中，n為 一個周期內(nèi)的狀態(tài)數(shù)。M1j為0或1. 各足不同狀態(tài)的組合及變換可由矩陣G來表示：G=[R1R2...Rn]n為足的數(shù)目 一個周期內(nèi)個狀態(tài)的持續(xù)時間用T表示 則T=[t1,t2,t3...tn] 例如，人們散步的步態(tài)用G，T表示為 ; 01G???????1234tT??????? 步態(tài)的空間特性可用三個與G相對應(yīng)的矩陣來表示。以步行機集體的質(zhì)心作為原點。 建立固定在機體上的坐標系OXYZ。在矩陣G中。元素0表示著地狀態(tài)。著地的具體位置 有著地點坐標值來表示。但他們對步態(tài)研究的意義不大。所以均用0代替他們。有了以 上的準備。就可以得到與G相對應(yīng)的新矩陣X，Y，Z。他們描述了各足著地點的對應(yīng)位 置。例如人們散步時的G,T.其對應(yīng)的X，Y，Z可以表示為