“穿地龍”機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與位姿檢測(cè)研究.pdf

1、機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國(guó)家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)?！按┑佚垺睓C(jī)器人是一種特種機(jī)器人，它綜合了非開挖技術(shù)中氣動(dòng)沖擊矛的設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，加之高可靠性、高智能型、自適應(yīng)性強(qiáng)等機(jī)器人的設(shè)計(jì)長(zhǎng)處于一體，將提高非開挖施工的技術(shù)水平，它主要能夠?qū)崿F(xiàn)PE或PVC管、電纜、光纜等中、小直徑管線的地下非開挖鋪設(shè)，因此，具有廣泛的應(yīng)用前景和開發(fā)價(jià)值。 理想狀態(tài)下“穿地龍”機(jī)器人是一種可在土中自主行走的非開挖裝置。由計(jì)算機(jī)

2、控制，在地表的一端進(jìn)入土中，按預(yù)定設(shè)計(jì)的軌跡前進(jìn)，行進(jìn)中可以隨時(shí)改變方向繞過障礙物或修正偏差，最后，從地表的另一端指定位置穿出。 文中的研究工作是結(jié)合黑龍江省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃(重點(diǎn)攻關(guān))項(xiàng)目“穿地龍機(jī)器人樣機(jī)研制”而開展的。針對(duì)機(jī)器人在土中的工作特點(diǎn)和工作原理，主要進(jìn)行了機(jī)器人在土中各種模型的建立及分析、軌跡規(guī)劃及機(jī)器人檢測(cè)與控制等相關(guān)問題的研究工作。 文中首先綜述了非開挖技術(shù)中的國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)沖擊矛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了方向

3、可控氣動(dòng)沖擊矛的轉(zhuǎn)向機(jī)理，以及檢測(cè)技術(shù)鉆孔導(dǎo)向儀的應(yīng)用概況，并且簡(jiǎn)單總結(jié)了虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀。 探討了“穿地龍”機(jī)器人總體方案，對(duì)機(jī)器人土中沖擊擠壓成孔的機(jī)理進(jìn)行了研究，運(yùn)用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則為判據(jù)，將土體視為DP材料，其塑性行為被假定為理想彈塑性，運(yùn)用有限元分析手段，在ANSYS環(huán)境中建立了機(jī)器人在土中的有限元模擬模型。通過土體的應(yīng)力、應(yīng)變來求出“穿地龍”機(jī)器人在土中的受力情況和機(jī)器人與土作

4、用的波及問題，通過機(jī)器人的實(shí)際工況條件下的穿土實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證了所建立的有限元模型的可靠性。實(shí)驗(yàn)證明所建立的有限元模型可真實(shí)的反映土的變形情況，利用建立的力學(xué)模型，可以指導(dǎo)“穿地龍”機(jī)器人沖擊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、機(jī)器人動(dòng)力源的選擇和性能分析以及“穿地龍”機(jī)器人的軌跡規(guī)劃。 探討了“穿地龍”機(jī)器人在土中的軌跡規(guī)劃問題，進(jìn)行了規(guī)劃曲線上相關(guān)的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式的推導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上，利用所建立的數(shù)學(xué)模型，采用Matlab軟件環(huán)境，編制了計(jì)算程

5、序，進(jìn)行了“穿地龍”機(jī)器人軌跡規(guī)劃的仿真研究，獲得了預(yù)期的效果，為機(jī)器人在實(shí)際工況下的運(yùn)動(dòng)控制打下了基礎(chǔ)。 提出了兩種模型設(shè)計(jì)的“穿地龍”機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方案，即液壓方案和氣壓方案，運(yùn)用有限元校核方法對(duì)“穿地龍”機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的模型進(jìn)行了強(qiáng)度校核；運(yùn)動(dòng)虛擬樣機(jī)技術(shù)手段，在Pro/e環(huán)境建立“穿地龍”機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，進(jìn)行了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的虛擬裝配和結(jié)構(gòu)仿真，可得出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)無干涉和可實(shí)現(xiàn)頭部的各種位姿變化；建立了基于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的“穿

6、地龍”機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，運(yùn)用Lagrange法建立了“穿地龍”機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，并進(jìn)行了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真分析，結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型可真實(shí)地反映“穿地龍”機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償控制奠定了基礎(chǔ)。 在分析“穿地龍”機(jī)器人的工作特點(diǎn)和工作原理以及設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定了檢測(cè)內(nèi)容，按照“穿地龍”機(jī)器人實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求，采用測(cè)長(zhǎng)傳感器加上電子羅盤的檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)了“穿地龍”機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)方案，

7、并完成設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。分析了檢測(cè)系統(tǒng)的誤差，推導(dǎo)了誤差公式，并給出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差補(bǔ)償方法的基本理論，為后面實(shí)驗(yàn)部分的誤差分析補(bǔ)償提供了理論基礎(chǔ)。通過理論研究和分析，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在土中按照預(yù)定的軌跡行走，完成穿孔作業(yè)任務(wù)提供了保證。 文中最后進(jìn)行了“穿地龍”機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究。包括三個(gè)方面，第一是通過實(shí)驗(yàn)室中的穿土實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證“穿地龍”機(jī)器人的轉(zhuǎn)向機(jī)理；第二是通過“穿地龍”機(jī)器人液壓物理樣機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的性能測(cè)試，為實(shí)際工礦環(huán)境

8、下的穿土實(shí)驗(yàn)提供了動(dòng)力保證；第三是電子羅盤的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，來檢驗(yàn)檢測(cè)方法的可行性?？傻贸鲞@樣的結(jié)論：“穿地龍”機(jī)器人的液壓物理樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)頭部的各種位姿，從而可保證控制機(jī)器人的頭部來達(dá)到軌跡可控；所設(shè)計(jì)的沖擊機(jī)構(gòu)能夠達(dá)到實(shí)際工礦環(huán)境下的穿土性能要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)；數(shù)字羅盤實(shí)驗(yàn)證明了該檢測(cè)方法是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)機(jī)器人的位姿參數(shù)，為機(jī)器人的位姿檢測(cè)提供了可靠的保證。 “穿地龍”機(jī)器人研制為特種機(jī)器人開辟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。本文的研