摘要
煤矿运输中包括主运输和辅助运输，煤矿辅助运输承担着人员、设备和材料等运输的重要任务，巷道运输路线错综复杂、变坡及拐弯多，在钢丝绳绞车和单轨吊车辅助运输转载过程中，单轨吊车到达目标位置进行转载，装有不同物料的转载容器尺寸规格不统一，这使得转载容器定位和装卸仍需要工人手动完成，劳动强度大，物料运输周转环节多，过程繁琐，不满足标准化装载和自动化转载的发展需求，不符合矿井建设朝着连续化、标准化和智能化的主流方向发展。 本文将机器人技术应用到煤矿辅助运输转载环节，提出了一种利用辅助运输转载机器人替代工人完成物料转载的方案，设计了放置不同物料标准化的转载容器与固定转载容器的锁具，通过单轨吊车顶部的四自由度液压机械臂将装有不同物料的转载容器搬运至单轨吊车上，实现物料的装载，单轨吊车运输物料到达指定位置后由机械臂将转载容器搬运至平板车上，实现物料的转载。利用ANSYS Workbench有限元分析软件对机械臂抓取转载容器加速提升工况下容器整体结构的刚度、强度进行分析，结果表明转载容器结构强度满足要求。研究了转载过程中平板车、锁具、单轨吊车与转载机器人之间协同工作的自动化控制系统，实现转载容器装载、转载、运输过程的安全进行。 本文对转载容器的目标检测、定位和机械臂抓取算法展开研究，在Faster-RCNN目标检测研究的基础上，借助SSD里K-means锚框得到较好的先验框数，引入多分辨率特征融合，改进了RPN网络，将ROI Pooling替换成ROI Align，大大提高了转载容器识别定位的准确率。在目标检测基础上，通过对图像进行灰度化、边界检测、像素中心点提取等处理，获取转载容器中心点坐标，根据边界轮廓跟踪和直线拟合，获得容器相对于转载机器人的姿态，最后利用抓取参数估计算法获得机械臂末端夹爪的抓取姿态，然后判断预抓取容器的种类，将对应容器的抓取姿态传递给机械臂，驱动机械臂对目标容器进行抓取。 最后对六类转载容器目标检测、定位和机械臂抓取进行了仿真实验，实验结果表明:基于改进的Faster-RCNN目标检测模型MAP值提高到95%，转载容器定位平均误差减小至2.8cm，姿态角平均误差减小至1.6°，机械臂对容器抓取成功率均在80%以上。
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