盾构刀具检测蛇形臂机器人关键技术研究
发布时间：2021-11-08 10:06
刀具检测是盾构施工中的重要课题之一,其作业空间狭小、环境压力高、湿度大,人工介入风险高、效率低。蛇形臂机器人以细长的结构、超冗余自由度和远程线缆驱动等特点在受限空间和危险环境具有广阔的应用前景。蛇形臂机器人的辅助刀具检测系统能提高检测效率和灵活性,避免停机延误和开舱风险,对盾构的安全高效施工有着重大的意义。为了使蛇形臂机器人应用于刀具检测,本文研究了轻量化和模块化机械设计、线缆驱动超冗余机械臂运动学、多模式运动规划和线缆驱动系统控制等关键技术,并搭建了人机交互界面和虚拟仿真环境,主要内容如下:(1)设计了中空的蛇形臂和关节结构以及紧凑的线缆配置和驱动模块,利用万向节轴角与空间弯曲的转化和线缆空间与关节空间的逆运动学分析了线缆的最大位移,提出了最小-最大线性规划法来计算线缆的最大拉力,给出了主要驱动元件的选型。(2)建立了线缆空间、关节空间和笛卡儿空间的运动学映射。提出了改进末端跟随法的关节空间与笛卡儿空间逆运动学方法,5种算法的对比证明了改进方法效率的提升和关节极限、位形偏移性能的优化。针对线缆空间与关节空间正运动学的非线性和耦合性,构造了其雅可比矩阵的解析表达。采用几何法推导了精确的...
【文章来源】： 上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：104 页
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.1.1 课题研究背景
1.1.2 课题研究目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 盾构刀具检测研究现状
1.2.2 蛇形臂机器人研究现状
1.3 主要研究内容和章节安排
1.3.1 论文的研究内容与思路
1.3.2 论文的章节安排
第二章 蛇形臂机器人机械设计
2.1 设计功能和性能要求
2.2 蛇形臂机器人机械设计
2.2.1 蛇形臂和关节设计
2.2.2 线缆配置设计
2.2.3 驱动模块设计
2.3 驱动元件的计算和选型
2.3.1 线缆位移分析
2.3.2 线缆拉力分析
2.3.3 驱动元件选型
2.4 本章小节
第三章 蛇形臂机器人运动学和静力学
3.1 蛇形臂机器人关节空间与笛卡儿空间运动学
3.1.1 关节空间与笛卡儿空间正运动学
3.1.2 基于雅可比矩阵的关节空间与笛卡儿空间逆运动学
3.1.3 改进末端跟随法的关节空间与笛卡儿空间逆运动学
3.1.4 逆运动学算法对比分析
3.2 蛇形臂机器人线缆空间与关节空间运动学
3.2.1 线缆空间与关节空间逆运动学
3.2.2 线缆空间与关节空间正运动学
3.3 蛇形臂机器人工作空间分析
3.4 蛇形臂机器人静力学分析
3.5 本章小节
第四章 蛇形臂机器人多模式运动规划
4.1 独立关节空间弯曲运动规划
4.2 基于雅可比矩阵的笛卡儿空间运动规划
4.2.1 基于雅可比矩阵零空间法的运动规划
4.2.2 基于雅可比矩阵广义逆-RRT法的运动规划
4.3 改进末端跟随法的在线运动规划
4.3.1 增量式路径规划
4.3.2 改进末端跟随运动规划
4.3.3 中间跟随运动规划
4.4 基于路径跟随法的受限空间运动规划
4.5 本章小节
第五章 蛇形臂机器人动力学建模与控制
5.1 蛇形臂机器人动力学建模
5.1.1 机器人动力学建模方法概述
5.1.2 递归牛顿欧拉法动力学建模
5.2 蛇形臂机器人线缆驱动控制
5.2.1 线缆驱动控制概述
5.2.2 层次化控制架构
5.2.3 线缆拉力优化与控制
5.3 蛇形臂机器人动力学与控制仿真
5.3.1 水平静拉力控制分析
5.3.2 障碍空间下轨迹跟踪控制分析
5.3.3 外力干扰下的控制分析
5.4 本章小节
第六章 基于ROS的蛇形臂机器人软件系统实现和应用
6.1 ROS概述
6.2 蛇形臂机器人软件系统原理和结构
6.2.1 软件系统需求
6.2.2 软件系统架构
6.2.3 软件系统功能模块
6.3 蛇形臂机器人软件系统实现
6.3.1 蛇形臂机器人描述
6.3.2 蛇形臂机器人指令映射
6.3.3 蛇形臂机器人算法库
6.4 蛇形臂机器人软件系统应用
6.4.1 人机交互应用
6.4.2 运动规划应用
6.4.3 运动控制应用
6.5 本章小节
第七章 总结与展望
7.1 研究总结
7.2 主要创新点
7.3 研究展望
参考文献
附录1
致谢
攻读硕士学位期间的学术成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超声波的盾构切刀磨损无线检测系统研究 [J]. 刘招伟,王百泉,尚伟. 隧道建设(中英文). 2017(11)
[2]超冗余度机械臂跟随末端轨迹运动算法及其性能分析 [J]. 王俊刚,汤磊,谷国迎,朱向阳. 机械工程学报. 2018(03)
[3]蛇形机械臂的设计及控制策略 [J]. 王丰,冬雷,周晓奇,廖晓钟. 机器人. 2017(03)
[4]用于线绳传动机械臂的模块化驱动装置设计 [J]. 汤磊,王俊刚,李琳琳,谷国迎,朱利民,朱向阳. 机械设计与研究. 2016(02)
[5]新型超声波式盾构刀具磨损检测系统研究 [J]. 吕瑞虎,王光辉,刘涛. 建筑机械化. 2015(09)
[6]摄影测量在盾构刀具磨损检测中的应用 [J]. 石振明,刘鎏,邓非,管圣功,赵小鹏,姚占虎. 现代隧道技术. 2015(04)
[7]盾构刀具关键技术及其最新发展 [J]. 陈馈. 隧道建设. 2015(03)
[8]盾构隧道开舱技术现状及实例 [J]. 朱伟,闵凡路,姚占虎,王睿,魏代伟,姜腾. 现代隧道技术. 2015(01)
[9]蛇形臂机器人在航空制造业中的应用 [J]. 姚艳彬. 航空制造技术. 2014(21)
[10]新型盾构刀具检测技术 [J]. 李宏波,周建军,王助锋. 振动与冲击. 2014(20)
硕士论文
[1]面向狭小空间作业的绳索驱动超冗余机械臂的研究[D]. 刘天亮.哈尔滨工业大学 2016
[2]连续型飞机油箱检查机器人运动规划研究[D]. 郑遵超.中国民航大学 2014
[3]蛇形臂机器人视觉定位导航技术研究[D]. 程德.北京信息科技大学 2013
[4]复杂地层盾构刀具磨损控制技术研究[D]. 彭钧.北京交通大学 2013
[5]飞机油箱检查机器人结构及运动学研究[D]. 王维娟.中国民航大学 2013
[6]盾构掘进机刀盘力学性能及刀具磨损性能传感器的研制[D]. 郭殿斌.天津大学 2010
[7]土压平衡盾构掘进刀具动态磨损研究[D]. 张明富.北京交通大学 2007
本文编号：3483520
【文章来源】： 上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：104 页
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.1.1 课题研究背景
1.1.2 课题研究目的和意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 盾构刀具检测研究现状
1.2.2 蛇形臂机器人研究现状
1.3 主要研究内容和章节安排
1.3.1 论文的研究内容与思路
1.3.2 论文的章节安排
第二章 蛇形臂机器人机械设计
2.1 设计功能和性能要求
2.2 蛇形臂机器人机械设计
2.2.1 蛇形臂和关节设计
2.2.2 线缆配置设计
2.2.3 驱动模块设计
2.3 驱动元件的计算和选型
2.3.1 线缆位移分析
2.3.2 线缆拉力分析
2.3.3 驱动元件选型
2.4 本章小节
第三章 蛇形臂机器人运动学和静力学
3.1 蛇形臂机器人关节空间与笛卡儿空间运动学
3.1.1 关节空间与笛卡儿空间正运动学
3.1.2 基于雅可比矩阵的关节空间与笛卡儿空间逆运动学
3.1.3 改进末端跟随法的关节空间与笛卡儿空间逆运动学
3.1.4 逆运动学算法对比分析
3.2 蛇形臂机器人线缆空间与关节空间运动学
3.2.1 线缆空间与关节空间逆运动学
3.2.2 线缆空间与关节空间正运动学
3.3 蛇形臂机器人工作空间分析
3.4 蛇形臂机器人静力学分析
3.5 本章小节
第四章 蛇形臂机器人多模式运动规划
4.1 独立关节空间弯曲运动规划
4.2 基于雅可比矩阵的笛卡儿空间运动规划
4.2.1 基于雅可比矩阵零空间法的运动规划
4.2.2 基于雅可比矩阵广义逆-RRT法的运动规划
4.3 改进末端跟随法的在线运动规划
4.3.1 增量式路径规划
4.3.2 改进末端跟随运动规划
4.3.3 中间跟随运动规划
4.4 基于路径跟随法的受限空间运动规划
4.5 本章小节
第五章 蛇形臂机器人动力学建模与控制
5.1 蛇形臂机器人动力学建模
5.1.1 机器人动力学建模方法概述
5.1.2 递归牛顿欧拉法动力学建模
5.2 蛇形臂机器人线缆驱动控制
5.2.1 线缆驱动控制概述
5.2.2 层次化控制架构
5.2.3 线缆拉力优化与控制
5.3 蛇形臂机器人动力学与控制仿真
5.3.1 水平静拉力控制分析
5.3.2 障碍空间下轨迹跟踪控制分析
5.3.3 外力干扰下的控制分析
5.4 本章小节
第六章 基于ROS的蛇形臂机器人软件系统实现和应用
6.1 ROS概述
6.2 蛇形臂机器人软件系统原理和结构
6.2.1 软件系统需求
6.2.2 软件系统架构
6.2.3 软件系统功能模块
6.3 蛇形臂机器人软件系统实现
6.3.1 蛇形臂机器人描述
6.3.2 蛇形臂机器人指令映射
6.3.3 蛇形臂机器人算法库
6.4 蛇形臂机器人软件系统应用
6.4.1 人机交互应用
6.4.2 运动规划应用
6.4.3 运动控制应用
6.5 本章小节
第七章 总结与展望
7.1 研究总结
7.2 主要创新点
7.3 研究展望
参考文献
附录1
致谢
攻读硕士学位期间的学术成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超声波的盾构切刀磨损无线检测系统研究 [J]. 刘招伟,王百泉,尚伟. 隧道建设(中英文). 2017(11)
[2]超冗余度机械臂跟随末端轨迹运动算法及其性能分析 [J]. 王俊刚,汤磊,谷国迎,朱向阳. 机械工程学报. 2018(03)
[3]蛇形机械臂的设计及控制策略 [J]. 王丰,冬雷,周晓奇,廖晓钟. 机器人. 2017(03)
[4]用于线绳传动机械臂的模块化驱动装置设计 [J]. 汤磊,王俊刚,李琳琳,谷国迎,朱利民,朱向阳. 机械设计与研究. 2016(02)
[5]新型超声波式盾构刀具磨损检测系统研究 [J]. 吕瑞虎,王光辉,刘涛. 建筑机械化. 2015(09)
[6]摄影测量在盾构刀具磨损检测中的应用 [J]. 石振明,刘鎏,邓非,管圣功,赵小鹏,姚占虎. 现代隧道技术. 2015(04)
[7]盾构刀具关键技术及其最新发展 [J]. 陈馈. 隧道建设. 2015(03)
[8]盾构隧道开舱技术现状及实例 [J]. 朱伟,闵凡路,姚占虎,王睿,魏代伟,姜腾. 现代隧道技术. 2015(01)
[9]蛇形臂机器人在航空制造业中的应用 [J]. 姚艳彬. 航空制造技术. 2014(21)
[10]新型盾构刀具检测技术 [J]. 李宏波,周建军,王助锋. 振动与冲击. 2014(20)
硕士论文
[1]面向狭小空间作业的绳索驱动超冗余机械臂的研究[D]. 刘天亮.哈尔滨工业大学 2016
[2]连续型飞机油箱检查机器人运动规划研究[D]. 郑遵超.中国民航大学 2014
[3]蛇形臂机器人视觉定位导航技术研究[D]. 程德.北京信息科技大学 2013
[4]复杂地层盾构刀具磨损控制技术研究[D]. 彭钧.北京交通大学 2013
[5]飞机油箱检查机器人结构及运动学研究[D]. 王维娟.中国民航大学 2013
[6]盾构掘进机刀盘力学性能及刀具磨损性能传感器的研制[D]. 郭殿斌.天津大学 2010
[7]土压平衡盾构掘进刀具动态磨损研究[D]. 张明富.北京交通大学 2007
本文编号：3483520
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