刀具檢測是盾構施工中的重要課題之一,其作業(yè)空間狹小、環(huán)境壓力高、濕度大,人工介入風險高、效率低。蛇形臂機器人以細長的結構、超冗余自由度和遠程線纜驅動等特點在受限空間和危險環(huán)境具有廣闊的應用前景。蛇形臂機器人的輔助刀具檢測系統能提高檢測效率和靈活性,避免停機延誤和開艙風險,對盾構的安全高效施工有著重大的意義。為了使蛇形臂機器人應用于刀具檢測,本文研究了輕量化和模塊化機械設計、線纜驅動超冗余機械臂運動學、多模式運動規(guī)劃和線纜驅動系統控制等關鍵技術,并搭建了人機交互界面和虛擬仿真環(huán)境,主要內容如下:(1)設計了中空的蛇形臂和關節(jié)結構以及緊湊的線纜配置和驅動模塊,利用萬向節(jié)軸角與空間彎曲的轉化和線纜空間與關節(jié)空間的逆運動學分析了線纜的最大位移,提出了最小-最大線性規(guī)劃法來計算線纜的最大拉力,給出了主要驅動元件的選型。(2)建立了線纜空間、關節(jié)空間和笛卡兒空間的運動學映射。提出了改進末端跟隨法的關節(jié)空間與笛卡兒空間逆運動學方法,5種算法的對比證明了改進方法效率的提升和關節(jié)極限、位形偏移性能的優(yōu)化。針對線纜空間與關節(jié)空間正運動學的非線性和耦合性,構造了其雅可比矩陣的解析表達。采用幾何法推導了精確的...

【文章來源】： 上海交通大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數】：104 頁

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 課題研究背景和意義
        1.1.1 課題研究背景
        1.1.2 課題研究目的和意義
    1.2 國內外研究現狀
        1.2.1 盾構刀具檢測研究現狀
        1.2.2 蛇形臂機器人研究現狀
    1.3 主要研究內容和章節(jié)安排
        1.3.1 論文的研究內容與思路
        1.3.2 論文的章節(jié)安排
第二章 蛇形臂機器人機械設計
    2.1 設計功能和性能要求
    2.2 蛇形臂機器人機械設計
        2.2.1 蛇形臂和關節(jié)設計
        2.2.2 線纜配置設計
        2.2.3 驅動模塊設計
    2.3 驅動元件的計算和選型
        2.3.1 線纜位移分析
        2.3.2 線纜拉力分析
        2.3.3 驅動元件選型
    2.4 本章小節(jié)
第三章 蛇形臂機器人運動學和靜力學
    3.1 蛇形臂機器人關節(jié)空間與笛卡兒空間運動學
        3.1.1 關節(jié)空間與笛卡兒空間正運動學
        3.1.2 基于雅可比矩陣的關節(jié)空間與笛卡兒空間逆運動學
        3.1.3 改進末端跟隨法的關節(jié)空間與笛卡兒空間逆運動學
        3.1.4 逆運動學算法對比分析
    3.2 蛇形臂機器人線纜空間與關節(jié)空間運動學
        3.2.1 線纜空間與關節(jié)空間逆運動學
        3.2.2 線纜空間與關節(jié)空間正運動學
    3.3 蛇形臂機器人工作空間分析
    3.4 蛇形臂機器人靜力學分析
    3.5 本章小節(jié)
第四章 蛇形臂機器人多模式運動規(guī)劃
    4.1 獨立關節(jié)空間彎曲運動規(guī)劃
    4.2 基于雅可比矩陣的笛卡兒空間運動規(guī)劃
        4.2.1 基于雅可比矩陣零空間法的運動規(guī)劃
        4.2.2 基于雅可比矩陣廣義逆-RRT法的運動規(guī)劃
    4.3 改進末端跟隨法的在線運動規(guī)劃
        4.3.1 增量式路徑規(guī)劃
        4.3.2 改進末端跟隨運動規(guī)劃
        4.3.3 中間跟隨運動規(guī)劃
    4.4 基于路徑跟隨法的受限空間運動規(guī)劃
    4.5 本章小節(jié)
第五章 蛇形臂機器人動力學建模與控制
    5.1 蛇形臂機器人動力學建模
        5.1.1 機器人動力學建模方法概述
        5.1.2 遞歸牛頓歐拉法動力學建模
    5.2 蛇形臂機器人線纜驅動控制
        5.2.1 線纜驅動控制概述
        5.2.2 層次化控制架構
        5.2.3 線纜拉力優(yōu)化與控制
    5.3 蛇形臂機器人動力學與控制仿真
        5.3.1 水平靜拉力控制分析
        5.3.2 障礙空間下軌跡跟蹤控制分析
        5.3.3 外力干擾下的控制分析
    5.4 本章小節(jié)
第六章 基于ROS的蛇形臂機器人軟件系統實現和應用
    6.1 ROS概述
    6.2 蛇形臂機器人軟件系統原理和結構
        6.2.1 軟件系統需求
        6.2.2 軟件系統架構
        6.2.3 軟件系統功能模塊
    6.3 蛇形臂機器人軟件系統實現
        6.3.1 蛇形臂機器人描述
        6.3.2 蛇形臂機器人指令映射
        6.3.3 蛇形臂機器人算法庫
    6.4 蛇形臂機器人軟件系統應用
        6.4.1 人機交互應用
        6.4.2 運動規(guī)劃應用
        6.4.3 運動控制應用
    6.5 本章小節(jié)
第七章 總結與展望
    7.1 研究總結
    7.2 主要創(chuàng)新點
    7.3 研究展望
參考文獻
附錄1
致謝
攻讀碩士學位期間的學術成果


【參考文獻】：
期刊論文
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[3]蛇形機械臂的設計及控制策略 [J]. 王豐,冬雷,周曉奇,廖曉鐘.  機器人. 2017(03)
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[8]盾構隧道開艙技術現狀及實例 [J]. 朱偉,閔凡路,姚占虎,王睿,魏代偉,姜騰.  現代隧道技術. 2015(01)
[9]蛇形臂機器人在航空制造業(yè)中的應用 [J]. 姚艷彬.  航空制造技術. 2014(21)
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碩士論文
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[3]蛇形臂機器人視覺定位導航技術研究[D]. 程德.北京信息科技大學 2013
[4]復雜地層盾構刀具磨損控制技術研究[D]. 彭鈞.北京交通大學 2013
[5]飛機油箱檢查機器人結構及運動學研究[D]. 王維娟.中國民航大學 2013
[6]盾構掘進機刀盤力學性能及刀具磨損性能傳感器的研制[D]. 郭殿斌.天津大學 2010
[7]土壓平衡盾構掘進刀具動態(tài)磨損研究[D]. 張明富.北京交通大學 2007



本文編號：3483520