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《中南大学》 2003年
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凿岩机器人孔序规划的研究与实现

周友行  
【摘要】:凿岩机器人孔序规划的研究是实现凿岩设备机器人化的关键环节,也是凿岩机器人智能化的重要体现。本文以实现JSZY2-90M门架式两臂隧道凿岩机器人孔序规划过程中所应该和必须解决的关键问题为主线,在凿岩机器人的运动学建模、工作空间求解、凿岩机械臂逆运动学研究,碰撞检测,单臂孔序规划以及多臂协调与合作孔序规划等方面进行了较为详细的研究: 1、根据多臂凿岩机器人的实际工作环境和独特的机构特点,指出依然可以采用单臂机器人的开环系统运动学建模方法来进行凿岩机器人的运动学分析,在进行必要简化的基础上,建立了凿岩机械臂的正向运动学方程。 2、通过求解凿岩机器人的工作空间,为确定凿岩机器人车体与隧道工作断面的距离提供了理论和应用基础。在采用数值法求解凿岩机器人工作空间的过程中,在理论上初步探讨了伪随机数的产生方法,采用乘同余方法产生伪随机数,可较好地解决伪随机数的周期性和独立性问题。 3、在凿岩机械臂逆运动学问题的研究中,首先提出了一个带符号的特殊进制—N=sum from i=1 to n (K_idr~i),并确定了该进制的使用规律。在此基础上提出了一个基于人工智能的“试探性爬山法”来求解具有多冗余自由度关节型机器人运动学逆问题。推导和计算结果证明,此算法可在机械手运动学逆问题的无穷多组可能解中通过有限的搜索次数迅速找到一个符合条件的可能解,并且不需要计算反三角函数和进行矩阵求逆,同时该算法程序、运算量少、收敛速度快,稳定性好、通用性强。 4、从凿岩机械臂的孔序规划研究出发,探讨了多关节机械臂在多个离散点上作点对点运动时的优化目标,提出用机械手各关节运动变化的加权总量作为目标优化函数。以此为基础,设计了遗传算法的适应度函数,采用遗传算法优化规划了凿岩机械臂的钻孔孔序。该方法实现的孔序规划能较好地符合客观实际。 5、把凿岩机器人间的碰撞情况分解为凿岩机器人机械臂间、机械臂关节级间,机械臂与外部环境间的碰撞三种类型,并根据机器人结构,指出凿岩机器人的碰撞检测问题只能在关节级进行研究,从而把凿岩机器人间的碰撞检测问题简化为线段与线段和线段与圆弧内侧的机械干涉问题,有效地解决了凹多面体间的 摘要 一一一-一一一一-一一一一一一一—一— 则问题。在此基础上,研究了线段与线段,线段与圆弧内侧的机械干涉问 是出了相应的算法。这些算法的计算机程序设计简单,算法复杂性较低, 也满足实际应用需要。 引入了多机器人理论来研究多臂凿岩机器人孔序规划,设计了一个面向 两臂凿岩机器人的混合式控制体系结构,从而把凿岩机器人孔序规划问题 堵岩机器人每个机械臂的任务分配问题、机械臂的己分配任务的离线孔序 题、根据凿岩机器人的碰撞检测和任务冲突结果进行各机械臂孔序任务的 整问题这三个子问题进行研究。在研究凿岩机器人两臂合作策略的过程 七了将整个凿岩机器人工作空间划分为自由工作区域与机动工作区域,通 动工作区域内凿岩钻孔任务的合理取舍来处理两机械臂的资源冲突问题。 路和具体的解决问题的方法有效地降低了多臂凿岩机器人孔序规划的难 其他多臂多关节机器人任务规划研究也具有一定的借鉴意义。 用本文的研究成果,文中对JSZYZ一90M门架式两臂隧道凿岩机器人进行了 划的仿真和实验研究,在一定程度上实现了凿岩机器人孔序规划问题。为 岩机器人的进一步研究奠定了良好的基础。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TP242