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大型钢结构立面作业机器人液压伺服控制与路径规划研究

王富博  
【摘要】:近年来跨区域经济发展及海上资源开采大力促进了国家对船舶、海洋钻井平台和海洋油气存储罐等工程装备的投入。海洋工程装备长期面临污损和海水腐蚀问题,为提高装备寿命和可靠性,需要对装备进行定期清刷和喷涂等维护作业,多年以来清刷维护等作业主要由人工完成,作业效率低下且会对人体健康造成损伤,本文旨在研究一机器人对海洋工程装备大型钢结构立面进行维护,减轻人工作业负担并提高效率。在国内外大型钢结构立面作业机器人相关技术调研基础上,结合海洋工程装备的特点确立本文研究的机器人性能要求和方案。设计磁吸附履带,对比不同磁路选取磁力损失小的方案作为机器人磁吸附备选结构;设计可伸缩清刷结构和摆动喷涂结构以满足不同的作业需求。对大型钢结构立面作业机器人五种运动姿态下吸附稳定性分析,分析机器人姿态角和壁面倾角对吸附力的影响趋势,通过曲线得到稳定条件下磁吸附单元的最小吸附力。设计大型钢结构立面作业机器人控制方案,包括下位机和上位机;基于下位机控制方案对机器人控制硬件、液压马达和减速器选型;建立阀控液压马达模型,对有、无闭环反馈和有、无PID控制器时在负载变化下的液压马达速度响应做对比分析。最后通过对比模糊PID和普通PID控制下液压马达速度响应,确定使用模糊PID作为本文控制器方案,以提高机器人运动性能。针对大型钢结构立面作业机器人自主作业要求,基于栅格法对机器人工作面进行环境建模;确立完全遍历路径规划算法评价指标,基于栅格地图使用实验方法对内螺旋法和往返前进法两种遍历方法进行对比,选取适合本文要求的方法;结合水波纹方法和A-Star点对点路径搜索算法使路径规划陷入死角的机器人从死角逃逸;对A-Star路径搜索结果链表进行处理,减少路径长度和转弯次数;使用滑模控制方法控制机器人跟踪目标轨迹,并结合定位预测模型用仿真方法验证了轨迹跟踪控制算法性能。对机器人样机进行实验分析,使用气泵打压方法确定机器人控制器密封舱和编码器舱密封性能;对选定的两种待定磁路进行法向拉力实验,根据结果数据确定乙型磁路为吸附单元磁路;使用上位机控制机器人进行定距离不同速行走实验,机器人定速度和角速度实验,验证了机器人运动性能。


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