“穿地龍”機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)與位姿檢測研究.pdf

1、機器人技術(shù)的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標志和體現(xiàn)?！按┑佚垺睓C器人是一種特種機器人，它綜合了非開挖技術(shù)中氣動沖擊矛的設(shè)備簡單、操作方便的優(yōu)點，加之高可靠性、高智能型、自適應(yīng)性強等機器人的設(shè)計長處于一體，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)價值。 理想狀態(tài)下“穿地龍”機器人是一種可在土中自主行走的非開挖裝置。由計算機

2、控制，在地表的一端進入土中，按預(yù)定設(shè)計的軌跡前進，行進中可以隨時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)計劃(重點攻關(guān))項目“穿地龍機器人樣機研制”而開展的。針對機器人在土中的工作特點和工作原理，主要進行了機器人在土中各種模型的建立及分析、軌跡規(guī)劃及機器人檢測與控制等相關(guān)問題的研究工作。 文中首先綜述了非開挖技術(shù)中的國內(nèi)外氣動沖擊矛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，重點介紹了方向

3、可控氣動沖擊矛的轉(zhuǎn)向機理，以及檢測技術(shù)鉆孔導(dǎo)向儀的應(yīng)用概況，并且簡單總結(jié)了虛擬樣機技術(shù)在機器人領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀。 探討了“穿地龍”機器人總體方案，對機器人土中沖擊擠壓成孔的機理進行了研究，運用Drucker-Prager屈服準則為判據(jù)，將土體視為DP材料，其塑性行為被假定為理想彈塑性，運用有限元分析手段，在ANSYS環(huán)境中建立了機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”機器人在土中的受力情況和機器人與土作

4、用的波及問題，通過機器人的實際工況條件下的穿土實驗，來驗證了所建立的有限元模型的可靠性。實驗證明所建立的有限元模型可真實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”機器人沖擊機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化、機器人動力源的選擇和性能分析以及“穿地龍”機器人的軌跡規(guī)劃。 探討了“穿地龍”機器人在土中的軌跡規(guī)劃問題，進行了規(guī)劃曲線上相關(guān)的關(guān)鍵點坐標的計算公式的推導(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，編制了計算程

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

6、地龍”機器人的運動學(xué)方程，運用Lagrange法建立了“穿地龍”機器人系統(tǒng)的動力學(xué)方程，并進行了機器人的運動仿真分析，結(jié)果表明運動學(xué)和動力學(xué)模型可真實地反映“穿地龍”機器人的運動規(guī)律，為機器人的檢測系統(tǒng)和運動補償控制奠定了基礎(chǔ)。 在分析“穿地龍”機器人的工作特點和工作原理以及設(shè)計的轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定了檢測內(nèi)容，按照“穿地龍”機器人實時檢測的要求，采用測長傳感器加上電子羅盤的檢測方法，設(shè)計了“穿地龍”機器人的檢測系統(tǒng)方案，

7、并完成設(shè)計了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。分析了檢測系統(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)誤差補償方法的基本理論，為后面實驗部分的誤差分析補償提供了理論基礎(chǔ)。通過理論研究和分析，為實現(xiàn)機器人在土中按照預(yù)定的軌跡行走，完成穿孔作業(yè)任務(wù)提供了保證。 文中最后進行了“穿地龍”機器人的實驗研究。包括三個方面，第一是通過實驗室中的穿土實驗來驗證“穿地龍”機器人的轉(zhuǎn)向機理；第二是通過“穿地龍”機器人液壓物理樣機沖擊機構(gòu)的性能測試，為實際工礦環(huán)境

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