隧道鑿巖機(jī)器人控制系統(tǒng)及定位誤差分析與補(bǔ)償研究.pdf

1、本文以國內(nèi)首臺(tái)隧道鑿巖機(jī)器人為研究對(duì)象,為實(shí)現(xiàn)隧道鑿巖機(jī)器人的自動(dòng)控制而在隧道鑿巖機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、車體定位、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)求逆、機(jī)械臂定位誤差分析與補(bǔ)償、控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行了較為深入的研究：
　　 1.針對(duì)兩臂隧道鑿巖機(jī)器人每個(gè)工作臂都是有9個(gè)自由度的多關(guān)節(jié)耦合型機(jī)械手的獨(dú)特特點(diǎn),結(jié)合鑿巖機(jī)器人的實(shí)際工作環(huán)境特點(diǎn),采用Denavit-Hartenberg方法進(jìn)行了鑿巖機(jī)器人及其工作環(huán)境的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模,建立了機(jī)械臂末桿相對(duì)工

2、作對(duì)象——隧道斷面的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。并針對(duì)其獨(dú)特機(jī)構(gòu)特點(diǎn)提出了一種線性近似解耦一迭代法運(yùn)動(dòng)學(xué)求逆方法,將復(fù)雜的位姿關(guān)系近似線性化,將多變量間的復(fù)雜耦合(MIMO)模型近似解耦成多個(gè)單輸入單輸出(SISO)模型,再用迭代法求解運(yùn)動(dòng)學(xué)反解,通過大量仿真驗(yàn)證與實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證,表明這種方法能滿足隧道鑿巖機(jī)器人控制中的運(yùn)動(dòng)學(xué)精度要求與實(shí)時(shí)性要求。
　　 2.車體定位是鉆臂鑿巖定位精度的基礎(chǔ)。采取在工作環(huán)境中安裝激光的方式進(jìn)行車體定位,推導(dǎo)了

3、激光束坐標(biāo)系與機(jī)械臂末桿坐標(biāo)系間的關(guān)系矩陣,最終推導(dǎo)得到了機(jī)械臂末桿相對(duì)隧道斷面間的坐標(biāo)變換矩陣,解決了精確車體定位問題；根據(jù)特殊工況的簡(jiǎn)化分別得到了簡(jiǎn)單定位和恢復(fù)定位兩種簡(jiǎn)便的車體定位方式。
　　 3.通過大量的測(cè)試試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)鑿巖機(jī)器人機(jī)械臂的鉆孔定位存在較大的誤差,直接影響著隧道施工精度。為了分析各環(huán)節(jié)的誤差貢獻(xiàn),分別對(duì)大臂伸縮產(chǎn)生的誤差、推進(jìn)梁伸縮產(chǎn)生的誤差、翻轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)定位產(chǎn)生的誤差、傳感器輸出信號(hào)引起的誤差等環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)

4、研究與分析。試驗(yàn)表明,這些環(huán)節(jié)都存在較大的位置誤差與姿態(tài)誤差,其中系統(tǒng)誤差為主要因素、伴隨有隨機(jī)誤差。影響位姿誤差的主要因素包括指令誤差、檢測(cè)誤差、桿件受力彈性變形、機(jī)械傳動(dòng)誤差和機(jī)械零部件的制造誤差等等。
　　 4.對(duì)引起誤差的原因進(jìn)行公式推導(dǎo),從鉆臂機(jī)構(gòu)制造誤差和檢測(cè)誤差引起的位姿誤差,大臂撓性變形、推進(jìn)梁的撓性變形、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位精度產(chǎn)生的位姿誤差等方面進(jìn)行了計(jì)算分析,分析結(jié)果表明大臂端部的位置誤差主要來源于大臂撓性變形,而

5、推進(jìn)梁伸縮過程中的誤差原因是多方面的,撓性變形只占其中的小部分,液壓油的壓縮性是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位誤差產(chǎn)生的主要原因。
　　 5.引入虛擬關(guān)節(jié)概念,對(duì)鑿巖機(jī)器人鉆臂定位誤差進(jìn)行誤差補(bǔ)償方法研究,根據(jù)誤差原因和誤差特征的不同,分別采取坐標(biāo)變換矩陣直接補(bǔ)償、增加坐標(biāo)變換矩陣、增加虛擬關(guān)節(jié)等方法進(jìn)行誤差補(bǔ)償,對(duì)傳感器誤差采取濾波與校正系統(tǒng)誤差的方法減少誤差。由于引起推進(jìn)器伸縮過程中位姿誤差的數(shù)學(xué)模型難以建立,而運(yùn)用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GRNN