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金矿石 开采 分选 一体化 设计

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金矿石开采及分选一体化设计,金矿石,开采,分选,一体化,设计

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哈尔滨工程大学本科学位论文 学 号_ 密 级_哈尔滨工程大学本科生毕业论文金矿石开采及分选一体化设计院（系）名 称： 机电工程学院 专 业 名 称： 机械设计制造机器自动化 学 生 姓 名： 李帅 指 导 老 师： 赵刚 2007 年 6 月哈尔滨工程大学本科学位论文哈尔滨工程大学本科生毕业论文金矿石开采及分选一体化设计院 （系）： 机电工程学院 专 业 ： 机械设计制造机器自动化学 号 ： 03071201学 生 姓 名： 李帅 指 导 老 师： 赵刚 2007 年 6 月 哈尔滨工程大学本科学位论文摘 要 当前金矿石的开采及分选过程中筛分出非矿石是一件繁重的劳动，需要人工在矿山开采出含有和不含金矿的矿石，再用破碎机破碎运送到有专业设备的工厂进行筛分好分选然后再次破碎最后留下有含有金矿的矿石进行提炼加工，因此在筛分矿石和非矿石时造成了能源和人力物力财力的浪费，需要设计一种能在开采现场完成金矿石开采和筛分选取的一体化设备。即可以省去资源的浪费，保证了人力的合理配置，优化了分选方法。我所设计的就是这么一种设备，工作重点是破碎机和筛分及选取模块的安装配置分类排布和位置选取，还有支撑推进装置的设计及其可行性的分析。其中其他板块的分类排布就是最前端是破碎机，然后是筛分模块之后是分选模块。支撑推进装置采用了比较可靠的六足液压腿设计。每个腿机构各采用一个液压马达和两个液压缸来完成整体的顺转逆转和伸缩推进功能。步态采用三角形稳固支撑的方式。关键词： 一体化，分选，金矿石，六足。哈尔滨工程学本科学位论文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.哈尔滨工程学本科学位论文哈尔滨工程学本科学位论文目 录第一章 绪 论.11.1 论文的背景及意义.11.1.1 问题的提出.11.1.2 设计一体化设备的意义.11.1.3 研究背景.21.2 国内外研究状况和相关领域的研究成果.21.2.1 国内的研究状况.31.2.2 国外的研究状况.1.2.3 现阶段面临的任务.1.3 对课题研究的分析.5 1.3.1 课题研究的设想. 1.3.2 预期结果和意义.第二章 腿机构的分析.2.1 腿的结构设计.62.2 腿的结构分析.92.3 本章小结.第三章腿机构的步态分析.133.1 腿机构步态的基本分析.133.2 腿机构的步态方案分析.163.3 本章小结.17第四章步态的稳定性分析.234.1 腿机构的数学模型.234.2 对称步态的性质.274.3 步态的选取准则.4.4 步态的稳定性分析.4.5 的足端运动轨迹曲线的确定.4.6 本章小结.哈尔滨工程学本科学位论文第五章 动力源.325.1 动力源的选定.5.2 液压缸的选取.325.3 本章小结.34总结.参考文献.36感谢.38哈尔滨工程本科学位论文1第一章 绪 论1.1论文的背景及意义1.1.1 问题的提出 黄金是具有商品价值和金融价值宝贵的战略资源，在国民经济发展和社会进步中起着重要作用。难处理金矿石已逐渐成为主要的开采对象。人们一般把用常规氰化金浸出率不超过80%的金矿石，称为难处理金矿石。铜金矿石是较典型的难处理矿石，也是我国重要的黄金资源。含铜金矿石因铜含量较高，铜在氰化浸金过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，造成提金在经济上不可行；另与CN-形成铜氰络离子影响后续作业。因此，难处理含铜金矿石的氰化浸出前，必须采取必要的措施除去其他杂质对金矿石提纯的影响。一般难处理含金矿石金的提取工艺，可分为以下几类：矿石或浮选精矿直接浸出。这种方法由于含铜、铁、锑等矿物会溶解于氰化物溶液中，消耗大量氰化物和氧，效果一般不好。采用各种强化措施可改善直接氰化效果，如采用多段浸出工艺、采用非氰化浸出工艺，如硫脲、硫代硫酸法浸出等。矿石经浮选将金、铜一起富集后产生精矿送冶炼厂，在冶炼铜的过程中回收金。这种方法存在增加运输费用，不可避免产生精矿损失，金的回收率一般都较低，不能产出成品金等不足。金矿石或选别后的精矿经预处理脱去铜、铅、锑等贱金属后再用氰化物或其它浸出剂浸出。这种方法尽管会使工艺复杂一些，但预处理脱除铜、铅、锑等金属后，金的浸出率能够获得较大改善，同时还可回收其它有价金属。主要预处理方法有焙烧氧化法、细菌氧化法、压力氧化法、化学氧化法等。哈尔滨工程本科学位论文2 但以上方法都有他们的局限性和缺点。而且还会造成资源浪费，而且都是在工厂完成的，筛分方式也不先进。因此设计一种能应用与开采现场的金矿石开采及分选一体化设备就显得尤为重要了能将开采，筛分，选取合而为一全部操作都在开采现场进行，最后运送到冶炼厂进行秋末和冶炼。这样不仅能减少支出，优化配置，还能提高处理量减少浪费。1.1.2 设计一体化设备的意义金矿石是一种很有价值的矿石，通过提纯和冶炼，可以得到价值很高的黄金。可是当前金矿石的提炼方法一般都是在矿山上先进行爆破操作，然后运用破碎设备进行现场简单破碎然后由运输车运送到专门的工厂。这时的矿石中既有含有金矿的矿石也有不含一点金矿的花岗岩等岩石，然后就要就行的是含有金矿的矿石的选取筛分和分选。最后再进行二次破碎及回收利用。但是这个过程中浪费了很多资源和人力物力财力。对资源的合理配置提出了要求。这样做提高了生产效率减少了能源的浪费。1.1.3 研究背景金矿床在全国各省均有分布，但具工业规模的金矿床主要分布在我国中部、西部和北部地区，以及近年新发现的成矿带。在已探明的黄金储量中，有 30为难处理金矿。据有关机构不完全统计，我国难处理金矿远景储量达 1000 多吨， ，至少有 40个以上储量为 1100 吨难处理金矿因环境问题而无法开发利用。这批难以利用的呆矿的处理已成为影响我国黄金工业持续发展的主要瓶颈问题之一。随着易采矿的大量开采，难处理金矿资源的开发利用已成为黄金开采的一项重要任务。在难处理金矿哈尔滨工程本科学位论文3资源预处理技术方面，加速推广新法预处理技术及加热氧化法等先进技术，加快金矿科技相关成套设备的引进和二次开发是十分迫切和急需的。难处理含铜金矿石难选的主要原因是铜在氰化浸金过程中消耗大量的佩化物、铜离子与 CN 一形成铜氰络离子等。因此，难处理含铜金矿石直接氰化浸出往往浸出率很低，必须经预处理后金才能有效回收。预处理工艺主要有焙烧氧化、加压氧化、化学氧化、细菌氧化等，这些预处理技术近年来虽然也有了新的发展，也有各自的优缺点。开采和冶炼金矿石是一项很复杂的生产过程，需要经过多次破碎和提取冶炼操作，但是并不是所有的矿石中都含有金矿成分，其中大约 30%为岩石成份，由于在破碎和冶炼过程中对这也当作含金的处理。所以造成了能源的白白浪费，提取黄金的效率不高。如果能在开采现场进行以上操作，在运送到冶炼厂进行球磨和冶炼操作。不仅可以节省运送过程的浪费，还能提高劳动效率和减少资源浪费。即设计一种步行机来完成整个机体的移动和转向的操作过程。哈尔滨工程大学本科学位论文41.2 研究状况和相关领域的研究成果1.2.1 国内的研究状况 单一浮选 适用于处理粗、中粒的自然黄金铁矿石。 混汞浮选 适用于处理自然金嵌布粒度较粗，储存在黄铁矿和其它硫化矿石。 重力选矿 是利用黄金与其它矿物比得的差异性进行浮选的方法。炭浆法提金工艺 这种方法是80年代世界最先进的提金方法，用在处理含金褐铁矿氧化矿石的选择效果更佳。既利用了原浮选系列闲置设备，又保证了炭浆法的浸出率。 冶 炼 总过程是通过熔化使熔液中的过剩硫等化合物氧化除去。 电解直接冶炼 以钢棉为阴极直接熔炼得金银合质金。利用氰化物提金是目前世界各国生产黄金普遍采用的方法。 国内的金、银精炼，在大型冶炼厂采用的有化学法，化学法-火法及电解法，而在中小型黄金矿山一直延用火法炼金工艺，金回收率低，质量不高。近几年，随着黄金市场将逐步开放，并参与国际市场竞争，国家对金矿石的质量要求也越来越高。因此，各大中小型冶炼厂，特别是黄金矿山开始重视金、银精炼提纯工艺技术改进。如山东招远黄金冶炼集团公司，金泥冶炼废除了传统的转炉火法炼金工艺，目前采用的是酸化还原电解精炼工艺，而且提炼出来的金、银质量也大大提高。 因此综上所述设计一种可以承载一体化设备的步行机很有必要。我国对于步行车辆的研究起步较晚，但对松软土壤上的车辆通过性能的研究还是较早的。2O世纪5O年代吉林工业大学著名的地车辆系统力学专家陈秉聪开始研究，先后研制出塑料镶齿、高花纹、半步行轮、步行轮等非常规行走机构进行了运动学和动力学分析及田间试验。从2O世纪8O年代开始研究步行机，并取得了一系列的成果。其中2O世纪7O年代开哈尔滨工程大学本科学位论文5始，吉林工业大学由陈秉聪教授和庄继德教授分别带领的两个研究小组，开始进行非常规行走机构的研究。1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机，要用于海底探测作业，并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。1985年，陆怀民博士研制出一台具有两条平行四边形腿的步行机耕船试验台车，在试验中表现出较高的牵引效率，主要用于无硬底层的水田耕作；1986年，高峰博士对步行车辆的全方位转向进行探索，在步行车辆转向理论方面有独到的见解，提出了一种全方位转向机构，设汁了有全方位转向机构的六足步行车辆ARPSV；1989年，北京航空航天学在张启先教授的指导，孙汉旭博士进行了刚足步行机的研究，试制成功台四足步行机，并进行了步行实验。钱晋武博士研究的地壁两用六足步行机器人，并进行了步态和运动学方面的研究。1990年时高民博士进行8个自由度的六足步行车辆的研究，并试制了模型。同年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出全方位六足步行机 不仅能在平地步行，还能上楼梯。该所还研制了水下六足步行机以及采用连杆机构来实现动态步行的四足步行机模型。1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTuwM 系列四足步行机器人。JTuwMIII是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上，通过对3个自由度的协调控制，可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统，JTUWM III以对角步态行走，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTuwMIII的慢速动态行走,极限步速为1.7 kmh 。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果。2000年，上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进，开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR一 .其第一代的每条腿只有2个自由度，无法实现哈尔滨工程大学本科学位论文6机器人的转向，只能进行直线式静态步行，平均行走速度为1 mms。将机体的主体部分进行改进设计，由上下两层相互平行的三叉支架组成，将六足改进为双三足，引入身体转动关节，采用新型的组合偏动SMA驱动器，使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。2002年，上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人研究的步行机器人外形尺寸为：长30mm，宽40mm，高20mm，质量仅为6.3kg，步行速度为3ms。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸，采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构，在步态和稳定性分析的基础上，进行控制系统软、硬件设计，步行实验结果表明，该机器人具有较好的机动性。微型六足仿生机器人2003年哈尔滨工程大学的孟庆鑫、袁鹏等进行了两栖仿生机器蟹的研究 ，从两栖仿生器蟹的方案设计到控制框架构建，研究了多足步行机的单足周期运动规律，提出适合于两栖仿生机器蟹的单足运动路线规划方法，并从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动的控制问题，建立了生成周期运动的神经振荡子模型。1.2.2 国外的研究状况 国外发展的比较早。基本发展和创造更新历史如下：1966年，美国最早研制成计算机控制的四足步行机Phony pony。1977年又研制成六足机Hexapod，其控制计算PDP的主要任务是解运动方程以协调驱动腿的18-4电机的运动， 保证在整个行走过程中机身重心的垂直投影始终落在支撑足构成的凸多边形内。为了试验更好的运动自治性，后又改用PDP l17O计算机， 安装了力传感器、姿态传感器和视觉传感器以实现力的均匀分配、姿态控制和提供更好的地面适应性。1985年美国又研制了一台实用尺寸更先进的试验样机- 适应性主动隔振步行机哈尔滨工程大学本科学位论文7(Adaptive Suspension Vehicle， 简称AgV)。AgV是监控式步行机，它携带一名提供监控级命令的操作者，其中使用了与自治式动作相同的那些机械技术和控制技术操作者通过控制杆和键控盒与机器发生联系。控制杆在高速方式下提供3个自由度(纵向，侧向和转向)的连续速度控制。除精确立足方式外，腿的协调和立足点的选取完全由机器自动完成。AgV具有准全向运动(纵向和横向)特性和机体连续运动特点。它的计算机控制系统由l6台Intel 88单板机组成；视觉系统的传感器是砷化镓激光射线地形扫描器。动力系统采用流体静压系统。AgV有相当好的不平地面的适应能力，它是迄今最先进的步行机。世界上第一台微机控制的自持的(Selfcontained)六足步行机1983年在美国诞生该机携带一散驾驶员。计算机、液压系统、功力源(发功机)全部不带任何电缆。美国Obetics公司的六足机器人很有特点。六条腿均匀分布在一个圆形框架上，是对传统的长方形框架六足机的挑战。它的特点是重量小(200kg)、载重大(400kg)，而且单腿可以提起200kg的重物， 所以它的机械腿腿可以作为操作手使用(在遥控方式下)。全向运动是它的另一个特点；由于对称性和姿势的可变性，所以它很适宜于有限空间内的运动，但是由于腿的自由度较小，所以在不平地面上的适应能力欠佳。苏联于1977年研制成监控式六足步行机MGU，以后进展也很快。主要侧重于多足机器人尤其是六足机器人的研究日本六足机VI型于l980年研制成功，腿应用三自由度缩放仪机构，用l2个直流伺服机构驱动四条腿的运动，足端和腿边装有触觉传感器和姿态探测器，用微机进行姿态控制以适应不平地面的性能尤为优越，由于采用了上下运动和水平运动解耦的缩放式机构，不仅简化了控制算法，而且使能耗大为下降，是步行机腿机构方面研究的一个创新。另一台四足机模型 TANI型是步行足和轮式的混合机，它比VI型更节能用形状记忆合金作为触觉传感器同时测量足与地面以及足与障碍物侧面的接触信息。哈尔滨工程大学本科学位论文8世界上第一台实用的水下行走机于1979年在日本问世。该机是小松制作所研制的八足步行机ReCUS。1984年，日本完成了MELWALKI型六足机的研制工作。法国研制了两台六足机器人的模型H1型和H2型，均装有旋转扫描式超声波测距仪，可避开障碍，自行导航，相当高级。 国外主要有以下几种冶炼方法：电解直接冶炼，利用氰化物提金等几种常用方法。国外采用沸腾炉焙烧的主要厂家有11家，以原矿循环沸腾炉焙烧和两段沸腾炉焙烧为多。如美国的IBM公司为处理部分包裹金和含有机炭的矿石采用了投资和操作成本最低的两段焙烧法。 国外已有几座新建或扩建的大型岩金矿山采用重选法在磨矿回路中提取单体金的方法。这些都是比较先进的回收率高、生产成本低、环境污染轻、生产周期短的精炼技术。 1.2.3现阶段面临的任务时至今日，世界上很少有实用的步行机样机问世，这是因为用机械实现步行很困难， 问题主要有：(1)运动学，动力学问题复杂，仍然缺乏对这种系统全面，深刻的理解。(2)腿各关节动作的协调控制很复杂，还有待于开发合适的控制方案和迅速可靠的信息处理技术。(3)有待于开发适用的，使步行机识别复杂环境并做出准确判断，反应的传感技术。(4)还没有适于用在各关节驱动的高效率，重量轻的驱动元件。(5)转向控制较为困难，有待于开发实用的转向机构。1.3 对课题研究的分析1.3.1 课题研究的设想 主要设计一种支撑机构保证矿山的恶劣环境下的正常长时间稳定工作，动力源也要哈尔滨工程大学本科学位论文9保证能有较强的环境适应能力。 设计之初想选用轮子作为支撑和移动部件。但轮子的推进和承载重量的问题不能解决。而这六足液压机械腿就没有这种顾虑。六足液压机械腿具有很多优点足运动方式由于具有较好的机动性、系统可以主动隔振、在不平地面和松软地面上的运动速度较高而能耗较少等其它地面推进方式所不具备的独特的优越性能, 具有广泛的应用前景, 因此研究步行机器人具有现实意义。 腿数目的合理选择, 对步行机构设计是很重要的。对于实用型步行机的研制, 选择静态稳定步行方式作为设计依据还是比较稳妥的。而实现这种步行方式最少腿数是四条。到目前为止国外已经研制出四足，六足和八足步行机构, 多数学者认为六足步行机构是最有发展前途的, 因为六足步行机构具有如下优点: (1) 三足立地稳定余度大。(2) 步行速度大。大多数的研究也都是围绕六足进行的。因此选取了六足作为基本支撑方式。1.3.2 预期结果和意义 设计出一种一体化设备可以减少浪费提高效率，缩减成本，在世界制造领域战友一席之地。设计出的东西要满足基本条件，能支撑所要承载的力和能稳定移动。能实现基本的运动，如转向，抬起腿落下腿及移动等动作。保证整体能在矿山的特殊环境下正常工作，动力源为柴油发电机，以保证能在恶劣，地面不平，不方便其他设备运行的特殊情况下进行发电以保证机器正常运转的操作。本章小结本章主要阐述一体化设备的实际意义，分析了当今的相关领域国内外的发展历史和更新变革。现阶段研究面临的主要问题，还有实际工作中的例子。预期的结果和意义也给予了说明。对问题进行了初步分析，决定了一些基本的东西。比如动力源的类哈尔滨工程大学本科学位论文10型和整体运行方式的基本选定。对课题进行了分析，提出了相关问题的自己设想的方案。说明了设计一体化机的意义。 第二章 腿机构的分析2.1 腿的结构设计 国内外学者对多足步行机器人的步行机构已经作了大量的研究工作，其结构形式是多种的。其中主要包括有以下几种： 1.开链式步行机构：在早期的步行机器人研究中，一般是模仿动物的腿部结构来设计步行机构。一次依据仿生学的原理设计的这种机构形式多是关节式的，其优点在于结构紧凑，足端可以运动的空间很大，且运动灵活，由于关节式腿的关节是铰接的，因而在步行过程中的失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。它的不足之处是在腿的主运动平面内，大小腿的运动之间存在耦合，使得运动的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。2.闭链式步行机构：该种形式的机构能克服开链式机构承载能力低的缺点。一般都刚性较好，功耗较小。目前也有多种型式的应用。 机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人的运动学特征，其性能的好坏也直接决定了功能可行性。多足步行机器人的机构系统主要包括机器人腿部件的布局、腿部件的结构形式、腿的数量等，而其中腿部件的结构形式是多足步行机器人机构的重要组成部分，是机械设计的关键之一。因此，从某种意义上说对多足步行机器人机构的分析主要集中在对其腿机构的分析。一般地，从机器人哈尔滨工程大学本科学位论文11结构设计要求看，腿的机构不能过于复杂，杆件过多的腿机构形式会引起结构和传动的实现产生困难。因此对多足步行机器人腿的机构的基本要求可以归纳为：实现运动的要求，承载能力的要求和结构实现和方便控制的要求。 对于用轮子支撑和推进，在坚硬平地上运动是十分可靠的。对于不平度远小于车轮半径的地面，通过充气轮胎或其他弹簧阻尼系统的隔振，也可以实现有效的移动,但是在不平地面上行驶时，轮式机器人的能耗将大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用也将严重丧失，移动效率大大的降低。轮式车辆、履带式车辆虽好，但当在不平地面上行驶时，它们的能耗会大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用将严重为了改善轮子对松软地面和不平坦地面的适应能力，履带式支撑应运而生。履带使车身载荷分布在一块较大的面积上，相当于一种为轮子铺路的装置，并且可产生较大的推进力，可在松软地面上行走，而不至于陷入。但履带式机器人在不平地面上的机动性仍然很差，而且机器人机身晃动严重。足运动方式具有其它地面推进方式所不具备的独特优越性能足式运动系统还可以通过松软地面(如沼泽、沙漠等) 以及跨越较大的障碍(如沟、坎等)。足运动系统在不平地面和松散地面上的运动速度较高，而且能耗较少。 考虑到上述移动机构的不足，通过研究设计了一种的足式运动机构。这种机构的移动机器人具有如下十分优越的性能：(1)足运动方式具有良好的机动性，即有较好的对不平地面的适应能力。足运动方式的立足点是离散的，可以在可能达到的地面上最优的选择支撑点，足式运动系统可以通过松软地面（如沼泽、沙漠等）以及跨越一些较大的障碍（如沟、坎、台阶等） ；(2)足运动系统可以有主动隔振，即允许机身运动轨迹与足运动的运动轨迹解耦，尽管地面高低不平，机身运动仍可做到相当平稳；哈尔滨工程大学本科学位论文12(3)足运动系统在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较小。因此这种运动方式可以满足矿山的实际恶劣环境。 由于要设计一种能完成各种运动的机构，开始决定用轮子支撑和推进。轮子的方案不用太考虑支撑问题，可是精确移动却不能完美解决，因此在参考了相关材料之后决定采用六足机构，选择六足的原因将在下边详细说明。这样能保证整体的稳定性和可靠性，支撑力度大，移动精确性也可以保证。而机械腿的结构设计就要考虑到支撑强度和移动可行性等问题了。因此采用了缩放机构，可以达到上述要求，保证运动精度，转弯和伸缩的灵活性。 缩放机构由于在其运动主平面具有运动解藕性、易于控制、当缩放比大于1时能以较小的本体实现较大的空间运动等优点, 因而被广泛应用于多足步行机的腿机构。本文采用缩放式腿机构, 其原理如图1 所示。其中AC/ED, EB /CF, 当E点被固定时, A点的运动将以的比例传到F点; 当A点被固定时, E点的运动将以K=K1+1的比例传到F点。因此可以用A点和E点的独立控制来实现垂直方向与水平方向的分离驱动,这就是该机构的运动解耦性。该机构有3个自由度,即A点的沿y轴方向的移动、E点的沿x轴方向的移动以及整个机构绕y轴的转动。 哈尔滨工程大学本科学位论文132.2 腿的结构分析哈尔滨工程大学本科学位论文14腿的结构如图 2 所示。每个腿机构各采用一台液压马达作为转向的驱动源, 通过控制各马达的正转、反转, 使各个腿机构实现顺转、逆转; 每个腿机构上装配一个竖直液压缸和一个水平液压缸, 通过控制竖直液压缸活塞杆的伸缩, 使机械腿实现抬起、落地; 通过控制水平液压缸活塞杆的伸缩, 使机械腿实现前伸、收缩推动机体前进。脚底采用球铰结构, 这样不但可使脚与地灵活接触, 也可增大脚与地面的接触面积。 液压缸和液压马达的位置整个保证动力源的时刻供应。 2.3 本章小结 本章主要分析了为什么要采用腿的结构,以及腿结构的基本组成和可行性的分析。哈尔滨工程大学本科学位论文15简要表述了腿的基本结构和采用该结构的原理。运用液压马达和液压泵作为动力源来实现机械腿的各种运动，腿机构的好处和六足的稳定性。整体的稳定性和可靠性。支撑力度大，移动精确性也可以保证，整体也更灵活，支撑强度可以保证。 哈尔滨工程大学本科学位论文16第三章 腿机构的步态分析3.1腿机构步态的基本分析 步态即各足着地的先后次序显然，此定义只反映了步态的时问特性而来反映其空问特性，基于这一点，我们认为如下定义更能反映步态本质的全貌：所谓步态就是一个周期内步行机的各足着地点的相对状态及每种状态所持续的时问其中，相对状态是指各足着地点所组成的空间多边形这种空问多边形周期性的变换(变换速度由各状态的持续时间来确定)导致步行机的连续移动。很显然，以上定义包含了步态的时问和空问两种特性，而它们对步态来说是同等重要的由于要进行六足的运动，而且要在能保证支撑强度的情况下进行稳定的移动。之所以选择了六足是引文六足可以在保证移动的情况下成三角形支撑状态更加稳固。 六足行走机器人是按照三角步态行走的，每三足为一组。目前，研制的各种六足行走机器人往往采用单个电机驱动六足同时运动，这种方式虽然严格保证了六足行走步态的协调性，但限制动作的灵活性，不能实现转弯运动。采用两个电机分别驱动三足的行走，通过控制两边电机的转速差，可实现转弯运动。足的运动是靠连杆机构实现的，由于连杆机构不可避免的加工误差和电机性能的差异，无法保证机器人左、右足的相位在行走中始终保持不变。当这种相位误差积累到一定值时，会明显感觉到机器人行走的不协调，即出现所谓的步态失调现象。为了纠正这种现象，必须对行走中的状态进行检测利用控制策略及时调整电机的运转，纠正这种不正常的步态。 三角步态行走原理。许多昆虫步行时，一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以三角形支架结构交替前行。身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架。当一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只足原地不动，支撑身体，并以中哈尔滨工程大学本科学位论文17足为支点，前足胫节的肌肉收缩，拉动身体向前，后足胫节的肌肉收缩，将虫体往前推，因此身体略作以中足为支点的转动，同时虫体的重心落在另一组三角形支架的三足上，然后再重复前一组的动作，相互轮换周而复始。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。这就是典型的三角步态行走法，其行走轨迹并非是直线，而是呈“之”字形的曲线前进。三角步态是六足机器人的两组腿(身体一侧的前足、后足与另一侧的中足)，即处于支撑三角形上的三条腿的动作完全一样，均处于摆动相或均处于支撑相。由于使机器人行走是一件相当浩大的工程，不论是模仿人类或各种动物，都因为须考虑到机器人行走时重心的移动而面临相当大的挑战。以人类为例，人类站立不动时重心是位于中央的，当抬起其中一只脚时，人类的神经会反射性的命令肌肉将本身重心移动到站着的另一只脚上，接下来抬起的脚落地，重心回到人身中央，然后继续重复之前的步骤，这种行走方式称为静态步行。但是由于现在科技很难用机器模拟以上的生物动作，所以在机器人的行走方面便由模拟人类行走转变成学习自然生态中行走方式较为简单的昆虫。自然界中的昆虫都拥有六只步足，这六只脚在维持重心上都发挥了相当大的作用；当六只脚都站立在地面上的时候，重心维持在身体的中心部位；要向前移动时，先将其中一只前脚向前跨越，在这动作之间，其他的五只步足都是不动的，另外就算移动其他的脚，其他步足也是站立在原地不动的，因为这样可以将身体的重心继续固定在原来的位置，所以不必担心跌倒的问题。接下来，等跨出的脚重新站立在地面上并稳定后，另一只前脚再重复刚才的动作前进，如此一来每只脚就形成了一种循环，重复进行这项循环，昆虫的前进方式便出现了，而六足机器人也就可以依照这种循环来进行步行前进的动作。这种行走方式的优点是相当平稳，较不会失去重心，相当适合大型机器人，也很适合各种探险用的机器人。但是，这种行走方式哈尔滨工程大学本科学位论文18并不是没有缺点，为了稳定重心，每只步足要移动时其他的步足就必需静止不动来维持重心，所以移动的速度会因此减慢，这个缺点在大型机器人的身上将会更为明显。赋予机器人工作任务使其动作的方式如下： 1机器人先经人导引，预先教导其作业内容，在移动的同时利用传感器将各轴的转动信息读入并记忆。要使机器人照原来轨迹移动，只需要回放储存的记忆容即可动作。也就是说藉由教导记忆重放三个步骤完成驱使机器人动作的方法。 2可分为运动控制及动作顺序控制，其中运动控制分为轨迹位置控制及速度控制等。现在六脚机器人的发展已经越来越趋近于成熟，在轨迹的撰写方面也不再局限于第一种方式，藉由动作控制方式中的运动控制（内部包括轨迹控制和数度控制）、动作顺序控制方式，更产生了点到点控制法、函数补间控制法、直线补间法、立方多顶式补间法、五次方多顶式补间法、多段拋物线与直线混合补间法和追踪控制法等各种不同的控制方法。 六足机器人的好处，举例来说，四脚的机器人平衡较差，如果一脚举起，整个机器就易翻倒。但是一个六脚的机器人，却可以每一只脚举起时仍然维持三足鼎力的姿势，或者它可以在不影响其平衡安定的状况下，举起任何两只脚。由于六足机器人的构造主要是藉由模仿昆虫而成的，所以六足机器人一共拥有六只步足，并且在每只脚上至少拥有三个自由度，使机器人能顺利的像昆虫般行走，而驱动这些自由度的动力大致上有电压、油压，气压等等；藉由这些动力，便能使机器人脚上的关节能依照自由度行动。 因此选用3.3各一列的方式三角形稳固支撑。哈尔滨工程大学本科学位论文193.2腿机构的步态方案分析 设计的步行机步态如图所示： 哈尔滨工程大学本科学位论文20 把机器人的六条腿分为两组, 1、3、5 为一组, 2、4、6为另一组。机器人开始运动时，左侧的2号腿和右侧的4、6号腿抬起准备向前摆动，另外3条腿1、3、5处于支撑状态支撑机器人本体确保机器人的原有重心位置处于3条支撑腿所构成的三角形内，使机器人处于稳定状态不至于摔倒(见图(a)，摆动腿2、4、6向前跨步(见图(b)，支撑腿1、3、5一面支撑机器人本体，一面在小型直流驱动电机和皮带传动机构的作用下驱动机器人本体，使机器人机体向前运动了半个步长S(见图(C)。在机器人机体移动到位时，摆动腿2、4、6立即放下，呈支撑态，使机器人的重心位置处于2、4、6三条支撑腿所构成的三角形稳定区内，原来的支撑腿1、3、5已抬起并准备向前跨步(见图(d)，摆动腿1、3、5向前跨步(见图(e)，支撑腿2、4、6此时一面支撑机器人本体一面驱动机器人本体，使机器人机体又向前运动了半个步长S(见图(f)，如此不断从步态(a)、(b)、(C)、(d)、(e)、(f)、(a)，循环往复，周而复始实现机器人不断向前运动。转向和各个动作互相合成等常规动作。 机器人的转向由液压马达实现, 机械腿的逆转与顺转是由液压马达的正反转实现的, 液压马达的正反转是通过控制三位四通电磁换向阀改变油路来实现, 前进时腿与前进方向一致, 而机体并不转动。这样使步行机的转动非常方便, 并可实现全方位的行走。即可以抬腿，收腿和转向，反方向的也是如此。 机器人在行走过程中，两组机械足交替支撑。两组足中的任一组3足可独立支撑起整个机器人身体，机器人重心始终落在A组或B组3足的三角形区域内，因此在平面爬行中没有倾覆的危险。 机器人具有独立的直行和转弯机制，两者可在各自的允许范围内任意方式结合，这就使得机器人的爬行十分灵活。可以完成各种转弯和倒退行进方式。由于采用六足的设计，因此在其中三足进行前进，后退和转弯等操作是其余三足可以进行三角形稳哈尔滨工程大学本科学位论文21固支撑。 六足步行机器人的步态是多样的,其中“3+3”步态是六足步行机器人实现步行的典型步态。该步态是将机器人的6条腿分为2组,腿1、3、5为A组,腿2、4、6为B组,步行过程2组腿交替地摆起、放下。其步态的规划包括:摆腿顺序选择及最大跨步和最大转动角度的计算等。步态设计是实现步行的关键之一，为达到较为理想的步行，考虑下列要求：(1)步行平稳、协调，进退自如，无左右摇晃及前后冲击；(2)机体和关节问没有较大的冲击，特别是在摆动腿着地时，与地面接触为软着陆；(3)机体保持与地面平行，且始终以等高运动，没有明显的上下波动；(4)摆动腿跨步迅速，腿部运动轨迹圆滑，关节速度与加速度轨迹无畸点；(5)占空系数的合理取值。静态稳定的多足步行机由于对故障的自适应性， 是不平地面和松软地面行走较为理想的工具。实验和观察表明， 在崎岖不平的坚硬地面上行驶(行走)的平均速度，履带式车辆为816 kmh，轮式车辆为58 kmh，而足行走动物的奔跑速度可高达56 kmh在有254 cm深软土的地面上，履带车的所需推进功率为7460 WT，轮式车辆为11300 WT，而步行机器人只需5220 WT 。 由于六足步行机具有较优良的综合性能指标，成为国内外研究的热门课题据统计，六足步行机实物模型样机占多足机的半数以上I ，静态稳定步态研究是实用步行机研究中不可缺少的，它是开发步态控制器和稳定性监视系统的基础。 对于确定结构的六足行走系统， 步态式可 完全描述规则周期直线步态236,g 经观察研究发现，纵向运动多足行走动物的步态具有对称性质 以往的纵向运动六足哈尔滨工程大学本科学位论文22步态研究， 仅限于中腿行程无外置的特定几何模型，对六足步行机对称步态稳定性和最优步态的证明基于中腿行程外置的一般化模型(如下图)， 更接近于实际生物3.3本章小结本章主要分析了机械腿的步态设计，基于仿生学的原理，在分析六足昆虫运动机理的基础上。得出了六足的最稳定步态及基本运行方式。步态采用了比较常见的3+3的运动方式。运行时腿呈三角形支撑，整体相当稳固。要协调，进退自如，避免整体摇晃，保证上面运送的机器的安全性。 第四章 步态的稳定性分析4.1腿机构的数学模型为了便于对步态进行定性和定量分析，有必要建立其数学模型根据定义，我们可如下进行步行机各足均有两种状态，即着地和腾空，分别用 0 和 r表示于是步行机哈尔滨工程大学本科学位论文23的第1条腿在 一个周期内两种状态的变换次序可以表示为R=m1,m2.,mn其中，n为一个周期内的状态数。M1j为0或1. 各足不同状态的组合及变换可由矩阵G来表示：G=R1R2.Rnn为足的数目 一个周期内个状态的持续时间用T表示 则T=t1,t2,t3.tn例如，人们散步的步态用G，T表示为 ; 01001000G1234tTttt步态的空间特性可用三个与G相对应的矩阵来表示。以步行机集体的质心作为原点。建立固定在机体上的坐标系OXYZ。在矩阵G中。元素0表示着地状态。着地的具体位置有着地点坐标值来表示。但他们对步态研究的意义不大。所以均用0代替他们。有了以上的准备。就可以得到与G相对应的新矩阵X，Y，Z。他们描述了各足着地点的对应位置。例如人们散步时的G,T.其对应的X，Y，Z可以表示为 1122222314000x tXxtxtxtx t 1112223142400y tYyytyty tyt 11222223142400z tZztztztz tzt式中0 （i=1，2，3，4）it以上步态当然也可用直观的集合图形表示。但既不准确也不方便。4.2对称步态的性质对车步态指轴对称的足对相位差为半个周期的步态哈尔滨工程大学本科学位论文2424365121212对称步态的静态稳定特点有以下描述从向运动六足不行机规则对称步态稳定的充分条件是：3631112可以通过全方位六足步行机静态稳定的充分条件来证明。轴对称六足步行机纵向运动规则对称步态的支撑图形相差半个周期后出现关于X轴对称的情况。4.3步态的选取准则就四足步行机而言， 理论上可供选择的步态种类数以万计 以G矩阵的行数为8的步态为例， 其种类多达5040种 面对如此众多的方案， 人们应如何进行选择呢?当然六足的原理是相同的。遵守以下两个准则是必要的。准则1 所选步态应符合动物的行走习惯经验和理论分析表明，动物的行走方式是自然界中最合理的，这些行走方式不仅能使步行机平衡，而且能使所消耗的能量减少到最低程度。准则2 所选步态应使控制尽可能简单和动物行走不同，步行机的行走必须加以人为的控制，如果所选步态存在控制上的困难甚至难以实现，显然是意义不太大的。 4.4步态的稳定性分析如图所示：点A、B、C分别是六足机器人的左前腿、右中腿、左后腿在地面上的支哈尔滨工程大学本科学位论文25撑点。三角形ABC是由三条支撑腿所构成的一组支撑三角形。取机器人本体的重心0 为坐标原点，y 的正方向为机器人的前进方向，设支撑点A、B、C的水平坐标分别为A(zA，YA)、B(zB，YB)、C(zc，Yc)，各点的 坐标都相同，点A 、B 、C是机器人重心到支撑三角形各边的垂足点，d1、d2、d3是重心到各边的相应的距离。 直线AB的方程为 ，斜率ABAABAyyyxxyyyABABBAyyKyy则直线OA 的斜率, 其直线方程为：，以上两直线AB和OAABOABAxxKyyABBAxxyxyy的焦点A的坐标为 22,ABABBAABABABABABx yy xyyx yy xxxAdd式中是线段AB的距离的平方。2ABd线段OA 长： ，同理可以求得d2、d3。则六足机器人以三角步态行221AAdxy走时，其最小稳定裕量判据为：d = mind1，d2，d3。 轴对称六足步行机从向运动规则对称步态对步距归一化纵向稳定裕量为 哈尔滨工程大学本科学位论文2613min,LLSMLSS其中13110.512LSa 335110.52LSa 0.5WWaWW313551轴对称六足步行机纵向运动时纵向稳定裕量最优步态是波形步态 波形步态的稳定性增量：由于中腿行程外置而引起波形步态的稳定性相对增量为(当相对外移量为 时）WWW10.50.54130.514xrrrxRPWWRP 分别取RP =0-25，05，075，10和AW，=5，5，1oN，15N25 ，5O，75，200%以及。 6712,12 12124.5的足端运动轨迹曲线的确定在进行步行机构的运动仿真设计时，如果将腿直接连在轴上则足端轨迹为圆形。这样机器人的运动将会呈半圆状起伏，如果能够使得足端轨迹在触地的部分保持平整就可以保持机器人的平稳前进。况且步行机器人要求有很强的环境适应能力，它必须能够在平面、台阶上稳定地行走，又能够跨越障碍，横沟，不同的路面对轨迹曲线有哈尔滨工程大学本科学位论文27不同的要求：对于平地路面要求有一定的速度，对于台阶要求能够抬起并越过，对障碍物要求顺利跨越，可见足端运动轨迹的选择对于步行机器人来说显得非常重要。选择足端运动轨迹曲线时应主要考虑以下问题：1.曲线的高宽比：曲线的高宽比直接反应出曲线的运动特性。该比值越大则足端运动轨迹曲线越高，相应的跨越台阶的能力就越强同时前进特性(运动速度)就越差。2.曲线弧长：在曲线宽度一定的情况下，曲线长度越长，在空中运动的时间就越长，这将直接影响到摆动腿的速度，进而影响到步行机的运行速度。曲线弧长越短，运动时间就越短，但相应的跨越能力就越差。 4.6本章小结 本章在前一章步态的基础上。着重分析了步态的稳定性条件，并针对六足进行了稳定性的判别。构建了基本的模型，利用科学的方法分析了六足的稳定可行性。 主要采用三角形步态稳固支撑，进行了初步的稳定性分析，保证机器能满足在矿山的恶劣环境下的长时间正常工作。建立的初步的数学模型，对稳定裕量进行了初步分析。指定了六足的最佳运行方式。第五章 动力源5.1 动力源的选定机器人驱动方式一般有以下四种:1、直流伺服电机驱动：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，体积偏大，成本较哈尔滨工程大学本科学位论文28高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际上作的影响。2、交流伺服电机驱动：交流伺服电机结构较简单，体积较小，运行可靠，使用维修方便，价格比直流伺服电机便宜，但高于步进电机。3、步进电机驱动：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉，通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制，位置误差不会积累，步进电机具有自锁能力(变磁阻式)和保持转矩(永磁式)的能力，有利于控制系统的定位。但步进电机基本上不具有过载能力，功率偏大者，体积较大，并且其空间分辨率较低；功率较小者，只适于传动功率不大的关节或小型机器人。4、液压伺服马达和液压缸驱动：液压伺服马达和液压缸具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，在有液压动力源的情况下，是一种不错的选择。由于本设计特殊的工作需要，要求能长时间稳定支撑，所以要求动力源有足够大的功率，且具有不错的防震能力。因此本设计选用液压缸作为动力源。1） 走液压传动相对于液力机械传动的优点：一方面它具有大的扭矩控制范围，可在附加的换挡变速器中实现无级或只有少量几级换挡，另一方面可以实现综合传动方案，并且允许在轮式装载机中与行走方向倾斜或横向安装布置。2）在闭式液压传动系统中，可使转矩在两个方向上传递。因此能够产生一个作用于驱动机构的制动支撑，由此可以减小安装的刹车功率和刹车磨损，降低轮式装载机的营运费用。3）具有在各种开环控制和闭环控制下应用的可能性，在任何速度下都能接受并分哈尔滨工程大学本科学位论文29配发动机的功率。4）具有自动变速换挡功能，操作简便。作业中能自动变速换挡，驾驶员无须根据作业负荷和车速大小等情况来判断、确定挡位和进行换挡操