水下焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)及其軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、核電是當(dāng)今世界能源供應(yīng)中不可缺少的部分，核反應(yīng)堆的建造一直秉承高標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著時(shí)間推移，核反應(yīng)堆的一些設(shè)施會(huì)損耗，甚至出現(xiàn)破損。放射性物質(zhì)一旦出現(xiàn)泄漏，檢修人員將直接處于放射性環(huán)境中，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。因此，一直以來(lái)人們致力于研究利用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行核設(shè)施的檢測(cè)和維修。在一些特定的單一任務(wù)結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面已經(jīng)取得重要進(jìn)展。對(duì)蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆殼體等進(jìn)行檢測(cè)維修的機(jī)器人已經(jīng)很成熟。
　　本文分析了國(guó)內(nèi)外的核電機(jī)器人及水下機(jī)器人的現(xiàn)狀，研究了它

2、們的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)。核電檢測(cè)機(jī)器人針對(duì)具體的工作環(huán)境設(shè)計(jì)，很難被移作其他使用；水下機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式主要為液壓驅(qū)動(dòng)，以主從式為主，精度取決于操作者，其主要功能是觀測(cè)、抓取，不能用于焊接。核救援機(jī)器人屬于移動(dòng)式機(jī)器人，主要功能是觀察、測(cè)量等，大多無(wú)法滿足在水下工作要求。因此針對(duì)水下焊接的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種針對(duì)核反應(yīng)堆乏水池的水下焊接機(jī)器人具有實(shí)際意義。
　　基于實(shí)際工況設(shè)計(jì)了六自由度水下焊接機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)，每個(gè)自由度均由獨(dú)立旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

3、構(gòu)成。為防止液壓驅(qū)動(dòng)對(duì)水體造成污染，關(guān)節(jié)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)密封實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)防水。關(guān)節(jié)采用模塊化設(shè)計(jì)，各關(guān)節(jié)獨(dú)立密封，提高了機(jī)器人的可靠性。建立了連桿坐標(biāo)系，采用D-H法對(duì)水下焊接機(jī)器人進(jìn)行了正運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，采用幾何法和反變換法完成了機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為水下焊接機(jī)器人后續(xù)的動(dòng)力學(xué)和軌跡規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)。
　　采用拉格朗日法建立了水下焊接機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)方程進(jìn)行了推導(dǎo)和化簡(jiǎn)。對(duì)機(jī)器人的水動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，證明了切片法和Mori

4、son方程計(jì)算水動(dòng)力學(xué)是等效的，得到了水下焊接機(jī)器人水動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)其進(jìn)行了推導(dǎo)得到了解析解，在此基礎(chǔ)上使用蒙特卡洛法完成水下焊接機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算，為電機(jī)和減速器的選型以及水下焊接機(jī)器人的控制器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　對(duì)水下焊接機(jī)器人的控制進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)水池環(huán)境進(jìn)行分析，得出控制系統(tǒng)不僅要滿足位置精度要求，而且要有力控制功能以避免環(huán)境突變引起擠壓、碰撞損害水池和設(shè)備。論文采用了基于位置的阻抗控制方案，通過(guò)力傳感器測(cè)量焊槍與

5、水池間接觸力，根據(jù)測(cè)得的力調(diào)整末端點(diǎn)的軌跡，從而防止接觸力過(guò)大或者接觸不到焊接位置而導(dǎo)致焊接失效。由水下焊接機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程得到了控制方程，并對(duì)其進(jìn)行了化簡(jiǎn)，完成了控制器設(shè)計(jì)。
　　對(duì)水下焊接機(jī)器人的軌跡規(guī)劃進(jìn)行了研究。由變換方程可知對(duì)腕部軌跡規(guī)劃可以代替對(duì)焊槍軌跡規(guī)劃。分析了焊接的約束條件為速度和位置，得出了可以采用三次樣條法進(jìn)行關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃。討論了笛卡爾空間軌跡規(guī)劃的優(yōu)缺點(diǎn)，最后結(jié)合關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間軌跡規(guī)劃