基于转向机构的“穿地龙”机器人运动学研究

介绍了国外有代表性的可控气动矛设备方向可控的特点.按照“穿地龙”机器人的转向机理,提出了“穿地龙”机器人的转向机构方案.叙述了该机构中头部的摆动原理,建立了“穿地龙”机器人的运动轨迹方程,并进行了仿真分析,为“穿地龙”机器人的动力学分析以及位姿检测系统的研究打下了基础.

穿地龙机器人转向机构设计与校核

通过对国内外非开挖技术中的方向可控气动冲击矛转向机理的研究,提出了穿地龙机器人转向机构的设计方案,运用有限元计算方法校核了机器人头部和转向机构关键零部件的强度,理论与实验分析和校核结果表明了该转向机构设计的可行性。研究结果可为穿地龙机器人的总体设计提供参考。

“穿地龙”机器人的控制系统研究

介绍了“穿地龙”机器人的用途和工作原理。从机器人的姿态检测、控制等几个方面进行了机器人控制系统的软硬件设计。实验结果验证了“穿地龙”机器人总体方案和控制系统方案的可行性,同时也为改进“穿地龙”机器人试验样机的设计打下了一定的基础,并为设计“穿地龙”机器人工作用机和进行“穿地龙”机器人的应用分析提供了条件。目前已完成了实验样机的研制。

穿地龙机器人轨迹规划及其运动过程仿真研究

以建立的"穿地龙"机器人轨迹规划数学模型为计算机仿真模型,对"穿地龙"机器人工作时的运动过程进行了计算机仿真研究,编制了大量仿真程序,获得了较好的仿真结果.通过运行仿真程序,可以在计算机上直接观察到"穿地龙"机器人运动的过程.进行"穿地龙"机器人运动学、动力学仿真,该研究工作为改进"穿地龙"机器人试验样机设计,并为设计"穿地龙"机器人工作用机和进行"穿地龙"机器人的应用分析提供了一定的条件.

穿地龙机器人气动冲击机构的分析与优化设计

通过对穿地龙机器人作业方式与轨迹可控冲击矛作业方式的简要比较,确定了穿地龙机器人的气动冲击机构,建立了数学模型,对其运动过程进行了数值模拟求解;分析了活塞各段位移与质量对输出参数———冲击能、振动频率、冲击速度、回撞速度的影响,指出参数之间相互联系、相互制约的关系;以冲击活塞行程为目标函数进行了冲击机构的优化设计,得到了优化设计参数;进行了冲击机构冲击力、振动频率等性能参数的测试试验,验证了优化设计结果的合理性。

“穿地龙”机器人及其位姿检测系统的研究

在讨论了“穿地龙”机器人的结构和工作原理的基础上,提出“自主式”机器人位姿检测的方法,并建立了机器人位姿检测的软硬件系统,推导了机器人在土中位姿计算的数学模型。土中穿孔实验证明这种位姿检测的方法可准确、方便、可靠地检测机器人位姿,这对“穿地龙”机器人工况条件下的实际轨迹控制和进行“穿地龙”机器人的应用分析打下了一定的理论基础。

模糊控制器在“穿地龙”机器人控制中的应用

"穿地龙"机器人在地下穿孔作业过程中会受到诸多因素的影响,是一个非线性的复杂系统。采用参数自调整模糊控制算法设计了位置模糊控制器,实现了机器人按目标轨迹运动等功能,保证了机器人具有良好的姿态调节能力。轨迹测试结果表明:设计的控制器具有良好的鲁棒性,可以保证机器人在土中按照预定的轨迹行走,完成穿孔作业任务。

地下穿孔机器人驱动装置的设计与研究

通过对国内外非开挖技术中的气动冲击矛冲击机构的研究,设计了地下穿孔机器人的驱动装置;介绍了该装置的结构特点和工作原理,建立了该装置的三维模型并完成了驱动装置的虚拟装配;推导了驱动装置各参数间的关系方程,并分析了主要参数对输出性能的影响;在此基础上进行了驱动装置的冲击性能测试实验,验证了理论分析的正确性,同时测试结果也表明该驱动装置能够满足地下穿孔的动力要求,可为地下穿孔机器人的总体设计提供参考。

“穿地龙”机器人转向机构虚拟样机研究

“穿地龙”机器人是一种特种机器人,主要由锥形头部、转向机构、冲击装置三部件组成,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,有广泛的应用前景和开发价值。文中介绍了“穿地龙”机器人的转向机构,叙述了该机构中头部的摆动原理,建立了头部质心的运动方程,并运用虚拟样机技术对转向机构进行了虚拟装配和对头部质心的运动进行了仿真研究,可得出虚拟装配无干涉和可实现头部质心的各种位姿变化,验证了该转向机构的可靠性,可为“穿地龙”机器人的总体设计提供参考。

“穿地龙”机器人的设计与综合

介绍了具有非开挖技术的特种作业机器人“穿地龙”机器人系统的设计。该机器人系统主要包括:空心钻头、转向机构、测试系统、控制系统和冲击装置,它集成了非开挖技术中气动冲击矛的优点,加上机器人的设计思想于一身,可提高非开挖的技术水平。详细地叙述了“穿地龙”机器人的工作原理以及土中的轨迹规划问题,并进行了规划仿真研究,通过“穿地龙”机器人的穿孔实验验证了仿真结果的可靠性,为“穿地龙”机器人的工程化应用提供了理论参考。

穿地龙机器人气动冲击机构动密封的研究

介绍了穿地龙机器人气动冲击机构动密封的组成,分别对其梯形沟槽迷宫与活塞环密封方式进行了研究,确定了具体设计参数。经实际检验,采用这种密封能够有效阻止气体的泄漏,使冲击机构在较小的气压(≥0.4 MPa)下任意地起动并形成稳定的振动,保证了机器人前进所需的驱动力,并使得机器人的穿孔作业操作方便、灵活。

穿地龙机器人液压冲击本体的技术研究

介绍了穿地龙机器人液压冲击本体机构与系统组成,阐述了工作原理,设计了单片机控制的高速开关阀系统,建立了液压冲击本体的数学模型,初步确定了冲击本体的结构参数,为样机的制造打下了基础。

“穿地龙”机器人地下作业轨迹规划及范围研究

为对"穿地龙"机器人的轨迹进行仿真,推导出"穿地龙"机器人运动轨迹的坐标公式,建立了"穿地龙"机器人运动轨迹的数学模型;在轨迹规划的基础上进行有限元分析,研究了"穿地龙"机器人进行打孔作业时的波及范围,确定了地下作业对周边的影响,对实际施工中轨迹的控制和躲避障碍物的规划奠定了基础。

“穿地龙”机器人运动轨迹分析及仿真

为进行非开挖条件下地下管线的铺设,研制了“穿地龙”机器人,该机器人采用气动冲击方式工作。对机器人的运动轨迹进行了分析,推导出运动轨迹的表达公式,并建立了机器人直线运动的数学模型。以建立的数学模型为基础,编制了机器人运动轨迹的仿真程序,获得了较好的仿真结果。仿真结果表明,机器人的锥形钻头和冲击机构同时运动时,机器人的运行轨迹近似为一条直线,从而验证了“穿地龙”机器人总体方案的可行性。实验结果说明,该机器人可以在非开挖条件下按目标轨迹完成土中穿孔作业。