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混凝土喷射机多关节臂架运动学建模与控制算法的研究

齐彪  
【摘要】:混凝土喷射机是一种通过喷射速凝混凝土进行开挖断面支护的工程机械,目前广泛应用于隧道、公路和煤矿等施工工程中。相比于传统的人工混凝土喷射施工方法,混凝土喷射机降低了工人的劳动强度、提高了施工效率和施工质量。但是,现阶段使用的大多数喷射机只能对臂架进行单关节的控制,操作复杂性较高,难以保证较高的喷射质量。随着工业自动化程度的不断提高,不论是在学术上还是实际的工程中,具有智能控制功能,能实现多关节联动控制的喷射机臂架,正成为研究热点。本文将喷射机臂架的控制机器人化,对臂架运动学展开研究,以注重工程的开发应用及其理论研究的探索作为研究目的,拟解决以下几个方面的问题: 首先,建立现有喷射机臂架的运动学模型。喷射机臂架是一个液压驱动机械臂,不同的关节其驱动方式不一样,其运动学关系也不一样。通过对臂架结构的详细分析,对其做相应的简化,得到臂架的运动学模型,并最终建立了关节的驱动空间、关节空间和臂架末端任务空间三者之间的运动学关系。为进行臂架系统的驱动空间到末端任务空间的运动设计与规划提供了基础。 其次,在不考虑末端喷射头的情况下,喷射机臂架一共包括七个自由度,含有一个冗余自由度,其运动学逆解非常复杂。本文结合喷射机臂架结构和实际施工情况,设计了能同时对关节运动位置和速度进行优化的运动学逆解算法。该算法主要基于梯度投影法,通过对各个优化目标的加权处理,解决了多目标优化问题,实现了在保证臂架运动平稳的前提下,防止关节位移的超限的控制目标。 最后,由于梯度投影算法是一种基于雅克比矩阵伪逆的控制算法,因此,在计算机控制系统进行算法实施的过程中,不可避免的产生迭代误差。本文对这种算法的不精确性做了详细的研究,并提出了一种闭环控制策略,使误差收敛。 综上所述,本文建立了喷射机臂架的运动学模型,对运动学问题进行了详细的探讨,设计了一种逆运动学算法。并且,通过对控制算法的改进,提出一种闭环控制策略,保证了臂架末端跟踪的精确性。算法整体的设计方案和研究结果可为同类机械臂架提供研究的理论依据和实践参考。


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