“穿地龙”机器人转向机构与位姿检测研究

论文摘要

机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。“穿地龙”机器人是一种特种机器人，它综合了非开挖技术中气动冲击矛的设备简单、操作方便的优点，加之高可靠性、高智能型、自适应性强等机器人的设计长处于一体，将提高非开挖施工的技术水平，它主要能够实现PE或PVC管、电缆、光缆等中、小直径管线的地下非开挖铺设，因此，具有广泛的应用前景和开发价值。 理想状态下“穿地龙”机器人是一种可在土中自主行走的非开挖装置。由计算机控制，在地表的一端进入土中，按预定设计的轨迹前进，行进中可以随时改变方向绕过障碍物或修正偏差，最后，从地表的另一端指定位置穿出。 文中的研究工作是结合黑龙江省科学技术计划（重点攻关）项目“穿地龙机器人样机研制”而开展的。针对机器人在土中的工作特点和工作原理，主要进行了机器人在土中各种模型的建立及分析、轨迹规划及机器人检测与控制等相关问题的研究工作。 文中首先综述了非开挖技术中的国内外气动冲击矛技术发展现状，重点介绍了方向可控气动冲击矛的转向机理，以及检测技术钻孔导向仪的应用概况，并且简单总结了虚拟样机技术在机器人领域中的应用现状。 探讨了“穿地龙”机器人总体方案，对机器人土中冲击挤压成孔的机理进行了研究，运用Drucker-Prager屈服准则为判据，将土体视为DP材料，其塑性行为被假定为理想弹塑性，运用有限元分析手段，在ANSYS环境中建立了机器人在土中的有限元模拟模型。通过土体的应力、应变来求出“穿地龙”机器人在土中的受力情况和机器人与土作用的波及问题，通过机器人的实际工况条件下的穿土实验，来验证了所建立的有限元模型的可靠性。实验证明所建立的有限元模型可真实的反映土的变形情况，利用建立的力学模型，可以指导“穿地龙”机器人冲击机构的设计优化、机器人动力源的选择和性能分析以及“穿地龙”机器人的轨迹规划。 探讨了“穿地龙”机器人在土中的轨迹规划问题，进行了规划曲线上相关的关键点坐标的计算公式的推导，在此基础上，利用所建立的数学模型，

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外相关领域研究现状综述
• 1.2.1 非开挖施工方法简介
• 1.2.2 冲击设备的发展概况
• 1.2.3 国内外气动冲击矛发展研究现状
• 1.2.4 国内外钻孔导向仪发展状况
• 1.2.5 虚拟样机技术发展概况
• 1.3 课题的来源与研究意义
• 1.4 论文研究的主要内容
• 第2章 “穿地龙”机器人土中有限元模型建立
• 2.1 引言
• 2.2 基于转向机构的“穿地龙”机器人总体方案设计
• 2.2.1 “穿地龙”机器人总体构成
• 2.2.2 “穿地龙”机器人工作特点
• 2.3 冲击挤压成孔的研究
• 2.3.1 土的结构
• 2.3.2 土的弹塑性
• 2.4 Druchker-Prager屈服准则
• 2.5 “穿地龙”机器人有限元模型的建立
• 2.5.1 “穿地龙”机器人有限元模型参数确定
• 2.5.2 “穿地龙”机器人有限元模型建立
• 2.6 本章小结
• 第3章 “穿地龙”机器人轨迹规划研究及仿真
• 3.1 引言
• 3.2 “穿地龙”机器人的轨迹规划
• 3.2.1 垂直平面XOZ内“穿地龙”机器人的轨迹规划
• 3.2.2 垂直平面X′O′Z′内“穿地龙”机器人轨迹规划
• 3.3 轨迹规划仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于转向机构的“穿地龙”机器人运动学与动力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 转向机理的实验验证
• 4.3 “穿地龙”机器人转向机构的设计与研究
• 4.3.1 “穿地龙”机器人转向机构液压方案
• 4.3.2 液压转向机构关键零部件校核
• 4.3.3 “穿地龙”机器人气压转向机构设计
• 4.4 “穿地龙”机器人头部位姿方程建立及仿真
• 4.5 “穿地龙”机器人的运动分析及仿真
• 4.6 “穿地龙”机器人的动力学研究
• 4.7 “穿地龙”机器人冲击装置研究
• 4.7.1 气动冲击机构的构成
• 4.7.2 气动冲击机构的工作原理
• 4.7.3 液压冲击机构的设计
• 4.7.4 液压冲击机构的控制系统设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 “穿地龙”机器人检测与控制系统的研究
• 5.1 引言
• 5.2 “穿地龙”机器人检测系统设计研究
• 5.2.1 测长传感器的设计
• 5.2.2 机器人本体姿态测试研究
• 5.2.3 锥型头部检测设计研究
• 5.3 “穿地龙”机器人控制系统研究
• 5.3.1 转向机构液压控制系统
• 5.3.2 转向机构气压控制系统
• 5.4 控制系统电路设计
• 5.4.1 电磁阀输出驱动电路设计
• 5.4.2 串行通讯电路设计
• 5.5 检测控制系统软件设计
• 5.5.1 下位单片机软件设计
• 5.5.2 上位PC机软件设计
• 5.6 机器人位姿检测系统误差分析
• 5.6.1 误差分析
• 5.6.2 安装误差分析
• 5.6.3 制造误差分析
• 5.6.4 罗差
• 5.6.5 姿态信号误差
• 5.7 机器人位姿检测系统误差补偿方法
• 5.7.1 采用BP神经网络基本原理
• 5.7.2 BP神经网络的训练流程
• 5.7.3 采用径向基神经网络基本原理
• 5.8 本章小结
• 第6章 “穿地龙”机器人的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 转向机理的实验研究
• 6.3 “穿地龙”机器人液压冲击机构性能测试
• 6.3.1 测试原理和测试系统
• 6.3.2 测试数据处理
• 6.4 数字罗盘的实验测试
• 6.4.1 “穿地龙”机器人位姿计算方法
• 6.4.2 “穿地龙”机器人的位姿检测
• 6.4.3 位姿检测的误差补偿
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和科研成果
• 致谢
• 个人简历