混联型盾构换刀机器人机身及其控制方法设计

• 作 者: 李晓同
• 出 处: 大连理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 盾构换刀机器人 结构设计 轨迹规划 运动控制

隧道掘进机(TBM)作为复杂的大型隧道施工装备在国家基础建设中占据重要地位。滚刀更换作为隧道施工的重要环节,其现行的危险且低效的人工换刀方式和安全、高效、智能化的隧道施工要求极不匹配,特别在泥水盾构的高压、高湿恶劣作业环境中,换刀工人的生命安全面临着极大的威胁,“换刀险”已成为制约行业发展的难题,因此,“机器换刀”的安全作业模式成为必然趋势。本文基于泥水盾构特殊的作业环境,提出换刀机器人的设计方案,并以12.6m直径盾构为例进行详细结构设计,轨迹规划以及运动控制的探讨,主要内容如下:(1)面向大负载、小空间、大跨距作业环境下的泥水盾构换刀机器人设计:根据盾构换刀空间狭长的结构特点,综合变胞机构能够根据功能需求或环境变化而改变构态的特性,将换刀机器人作业区域划分为四个任务区,并对各个任务进行构态设计,最后将各构态拓扑结构进行综合,获得满足换刀要求的机身拓扑方案,并进一步进行详细的结构设计,获得可适应12.6m直径盾构的液压驱动式七自由度换刀机器人。(2)基于冲击和时间组合最优的轨迹规划方法设计:综合轨迹规划及换刀精准平稳的要求,以急动度为最优的冲击目标,分析多种多项式曲线的冲击特性,获得高阶多项式具有冲击小且连续特性,同时分析获得梯形速度曲线具有最短运动时间的特点,进而结合高阶多项式和梯形速度曲线的组合,提出基于时间和冲击组合最优的轨迹规划方法,并将其应用到换刀机器人作业过程,结果表明,末端运动既没有柔性冲击也没有刚性冲击,且单把滚刀更换时间在30s至70s之间,大大缩短换刀时间。(3)换刀机器人运动学以及动力学模型建立:针对换刀机器人串并联组合且多自由度的结构特点,构建已知换刀机器人机构简图,并对各关节建立连杆坐标系,利用改进DH法建立运动学模型,同时应用蒙特卡洛结合运动学的方法验证换刀机器人换刀范围可达100%。采用牛顿欧拉法建立多自由度串联换刀机器人动力学模型,利用Adams验证运动学和动力学模型的正确性,为机器人的控制奠定基础。(4)基于动力学模型补偿的机器人控制算法设计:分别研究基于模型的控制、PD控制以及基于模型补偿的PD控制,结果表明,基于模型的控制由于模型建立不准确的问题导致其不能直接应用,PD控制由于换刀机器人多关节的耦合作用存在控制不稳定的问题,而基于模型补偿的PD控制保证末端定位精度<1mm,同时采用Adams和Simulink联合仿真的方法搭建换刀机器人控制系统验证算法的可行性。