刀具檢測是盾構(gòu)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(fēng)險高、效率低。蛇形臂機(jī)器人以細(xì)長的結(jié)構(gòu)、超冗余自由度和遠(yuǎn)程線纜驅(qū)動等特點在受限空間和危險環(huán)境具有廣闊的應(yīng)用前景。蛇形臂機(jī)器人的輔助刀具檢測系統(tǒng)能提高檢測效率和靈活性,避免停機(jī)延誤和開艙風(fēng)險,對盾構(gòu)的安全高效施工有著重大的意義。為了使蛇形臂機(jī)器人應(yīng)用于刀具檢測,本文研究了輕量化和模塊化機(jī)械設(shè)計、線纜驅(qū)動超冗余機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)、多模式運(yùn)動規(guī)劃和線纜驅(qū)動系統(tǒng)控制等關(guān)鍵技術(shù),并搭建了人機(jī)交互界面和虛擬仿真環(huán)境,主要內(nèi)容如下:(1)設(shè)計了中空的蛇形臂和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)以及緊湊的線纜配置和驅(qū)動模塊,利用萬向節(jié)軸角與空間彎曲的轉(zhuǎn)化和線纜空間與關(guān)節(jié)空間的逆運(yùn)動學(xué)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(qū)動元件的選型。(2)建立了線纜空間、關(guān)節(jié)空間和笛卡兒空間的運(yùn)動學(xué)映射。提出了改進(jìn)末端跟隨法的關(guān)節(jié)空間與笛卡兒空間逆運(yùn)動學(xué)方法,5種算法的對比證明了改進(jìn)方法效率的提升和關(guān)節(jié)極限、位形偏移性能的優(yōu)化。針對線纜空間與關(guān)節(jié)空間正運(yùn)動學(xué)的非線性和耦合性,構(gòu)造了其雅可比矩陣的解析表達(dá)。采用幾何法推導(dǎo)了精確的...

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

【文章頁數(shù)】：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(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 盾構(gòu)刀具檢測研究現(xiàn)狀
        1.2.2 蛇形臂機(jī)器人研究現(xiàn)狀
    1.3 主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排
        1.3.1 論文的研究內(nèi)容與思路
        1.3.2 論文的章節(jié)安排
第二章 蛇形臂機(jī)器人機(jī)械設(shè)計
    2.1 設(shè)計功能和性能要求
    2.2 蛇形臂機(jī)器人機(jī)械設(shè)計
        2.2.1 蛇形臂和關(guān)節(jié)設(shè)計
        2.2.2 線纜配置設(shè)計
        2.2.3 驅(qū)動模塊設(shè)計
    2.3 驅(qū)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(qū)動元件選型
    2.4 本章小節(jié)
第三章 蛇形臂機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和靜力學(xué)
    3.1 蛇形臂機(jī)器人關(guān)節(jié)空間與笛卡兒空間運(yùn)動學(xué)
        3.1.1 關(guān)節(jié)空間與笛卡兒空間正運(yùn)動學(xué)
        3.1.2 基于雅可比矩陣的關(guān)節(jié)空間與笛卡兒空間逆運(yùn)動學(xué)
        3.1.3 改進(jìn)末端跟隨法的關(guān)節(jié)空間與笛卡兒空間逆運(yùn)動學(xué)
        3.1.4 逆運(yùn)動學(xué)算法對比分析
    3.2 蛇形臂機(jī)器人線纜空間與關(guān)節(jié)空間運(yùn)動學(xué)
        3.2.1 線纜空間與關(guān)節(jié)空間逆運(yùn)動學(xué)
        3.2.2 線纜空間與關(guān)節(jié)空間正運(yùn)動學(xué)
    3.3 蛇形臂機(jī)器人工作空間分析
    3.4 蛇形臂機(jī)器人靜力學(xué)分析
    3.5 本章小節(jié)
第四章 蛇形臂機(jī)器人多模式運(yùn)動規(guī)劃
    4.1 獨(dú)立關(guān)節(jié)空間彎曲運(yùn)動規(guī)劃
    4.2 基于雅可比矩陣的笛卡兒空間運(yùn)動規(guī)劃
        4.2.1 基于雅可比矩陣零空間法的運(yùn)動規(guī)劃
        4.2.2 基于雅可比矩陣廣義逆-RRT法的運(yùn)動規(guī)劃
    4.3 改進(jìn)末端跟隨法的在線運(yùn)動規(guī)劃
        4.3.1 增量式路徑規(guī)劃
        4.3.2 改進(jìn)末端跟隨運(yùn)動規(guī)劃
        4.3.3 中間跟隨運(yùn)動規(guī)劃
    4.4 基于路徑跟隨法的受限空間運(yùn)動規(guī)劃
    4.5 本章小節(jié)
第五章 蛇形臂機(jī)器人動力學(xué)建模與控制
    5.1 蛇形臂機(jī)器人動力學(xué)建模
        5.1.1 機(jī)器人動力學(xué)建模方法概述
        5.1.2 遞歸牛頓歐拉法動力學(xué)建模
    5.2 蛇形臂機(jī)器人線纜驅(qū)動控制
        5.2.1 線纜驅(qū)動控制概述
        5.2.2 層次化控制架構(gòu)
        5.2.3 線纜拉力優(yōu)化與控制
    5.3 蛇形臂機(jī)器人動力學(xué)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(jī)器人軟件系統(tǒng)實現(xiàn)和應(yīng)用
    6.1 ROS概述
    6.2 蛇形臂機(jī)器人軟件系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)
        6.2.1 軟件系統(tǒng)需求
        6.2.2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)
        6.2.3 軟件系統(tǒng)功能模塊
    6.3 蛇形臂機(jī)器人軟件系統(tǒng)實現(xiàn)
        6.3.1 蛇形臂機(jī)器人描述
        6.3.2 蛇形臂機(jī)器人指令映射
        6.3.3 蛇形臂機(jī)器人算法庫
    6.4 蛇形臂機(jī)器人軟件系統(tǒng)應(yīng)用
        6.4.1 人機(jī)交互應(yīng)用
        6.4.2 運(yùn)動規(guī)劃應(yīng)用
        6.4.3 運(yùn)動控制應(yīng)用
    6.5 本章小節(jié)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 研究總結(jié)
    7.2 主要創(chuàng)新點
    7.3 研究展望
參考文獻(xiàn)
附錄1
致謝
攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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[4]復(fù)雜地層盾構(gòu)刀具磨損控制技術(shù)研究[D]. 彭鈞.北京交通大學(xué) 2013
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本文編號：3483520