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“穿地龙”机器人转向机构与位姿检测研究

张忠林  
【摘要】:机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。“穿地龙”机器人是一种特种机器人,它综合了非开挖技术中气动冲击矛的设备简单、操作方便的优点,加之高可靠性、高智能型、自适应性强等机器人的设计长处于一体,将提高非开挖施工的技术水平,它主要能够实现PE或PVC管、电缆、光缆等中、小直径管线的地下非开挖铺设,因此,具有广泛的应用前景和开发价值。 理想状态下“穿地龙”机器人是一种可在土中自主行走的非开挖装置。由计算机控制,在地表的一端进入土中,按预定设计的轨迹前进,行进中可以随时改变方向绕过障碍物或修正偏差,最后,从地表的另一端指定位置穿出。 文中的研究工作是结合黑龙江省科学技术计划(重点攻关)项目“穿地龙机器人样机研制”而开展的。针对机器人在土中的工作特点和工作原理,主要进行了机器人在土中各种模型的建立及分析、轨迹规划及机器人检测与控制等相关问题的研究工作。 文中首先综述了非开挖技术中的国内外气动冲击矛技术发展现状,重点介绍了方向可控气动冲击矛的转向机理,以及检测技术钻孔导向仪的应用概况,并且简单总结了虚拟样机技术在机器人领域中的应用现状。 探讨了“穿地龙”机器人总体方案,对机器人土中冲击挤压成孔的机理进行了研究,运用Drucker-Prager屈服准则为判据,将土体视为DP材料,其塑性行为被假定为理想弹塑性,运用有限元分析手段,在ANSYS环境中建立了机器人在土中的有限元模拟模型。通过土体的应力、应变来求出“穿地龙”机器人在土中的受力情况和机器人与土作用的波及问题,通过机器人的实际工况条件下的穿土实验,来验证了所建立的有限元模型的可靠性。实验证明所建立的有限元模型可真实的反映土的变形情况,利用建立的力学模型,可以指导“穿地龙”机器人冲击机构的设计优化、机器人动力源的选择和性能分析以及“穿地龙”机器人的轨迹规划。 探讨了“穿地龙”机器人在土中的轨迹规划问题,进行了规划曲线上相关的关键点坐标的计算公式的推导,在此基础上,利用所建立的数学模型,


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