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随着我国城市化进程的日益加快，各种市政管道施工工程在不断增加。而目前我国的管道施工技术还停留在人机混合作业的状态下，在施工中起重机和挖掘机经常用来配合工人进行管道吊装和对接工作。由于管道埋设比较深，极易出现沟槽的塌方，每年因此造成的人员伤亡事故时有发生。因此，如何减少管道施工的伤亡事故，提高管道施工的效率，使管道施工与现代化的科学技术有机结合是目前管道施工行业急需解决的问题。 本文研究的管道施工机械手是用于城市建设中大型地下管网施工的现代化机械设备，它的应用在提高管道施工效率的同时会大大提高地下管道施工的安全性。本文主要针对管道施工机械手的机械原理、基于虚拟样机技术的管道施工机械手动力学分析和实验分析，机械手的光电定位技术和机械手的控制策略等方面进行了研究。论文重点研究工作、创新及其特色如下: 1、管道施工机械手的机械原理研究 根据我国市政建设中地下管道铺设的现场状况，本文研究设计了带有自锁功能的管道施工机械手。该机械手以挖掘机为载体，具有4个自由度，由回转连接机构、十字导轨和叉式提升机构等组成，借助于挖掘机，该机械手可以实现管道在空间范围内的姿态调整。叉式提升机构能利用管道的重力自动锁紧管道，实现机械手与管道的固定。管道放下后，利用弹簧使叉手自动复位。为了防止管道被压溃，对自锁卡手作用在管道上的卡紧力进行了分析，得出了计算卡紧力的公式和影响卡紧力大小的参数，为保证机械手的正常工作提供基本的依据。利用D-H方法建立了机械手的运动学和动力学模型，为机械手的控制策略研究奠定基础。 2、管道施工机械手虚拟样机建模与动力学仿真实验分析 为了能够准确模拟机械手的工作过程，为物理样机的设计和制造提供参数依据，联合采用Solidworks、Ansys、Adams软件建立机械手的虚拟样机。虚拟样机建模过程中主要采用了如下方法:考虑到机械手在工作过程中部分构件的形变对系统动态特性的影响，虚拟样机采用刚-柔耦合建模方式，并对柔性构件的应力与应变进行了分析;为了避免冗余约束的产生，使模型中导轮与导轨之间的作用力更接近实际工况，机械手模型在导轮之间添加了过渡轴;为了真实模拟机械手工作时摩擦力的状态，针对传统添加摩擦力的方法不能准确时时跟踪摩擦力的变化，采用了添加外力等效运动副中的摩擦力的方法。利用仿真数据提供的设计参数设计制造了实验样机并进行了实验，通过实验结果与仿真结果的对比验证了机械手虚拟样机建模正确，与实验样机高度相符。 3、管道施工机械手的光电定位技术研究 针对管道施工机械手的实际工作情况，本文研究了不同工况下机械手在铺设管道时的光电定位技术，并设计开发出了机械手的光电定位系统。利用逆坐标变换理论分别建立了单靶定位、双靶定位和三靶定位时光电定位系统的数学模型，该模型为控制系统控制机械手的运动提供了控制参数，实现管道的对接与安装。对光电定位系统进行了仿真分析与实验研究;并通过实验分别测试了光电定位系统的数据采集和无线传输数据能力，对实验结果进行了分析，得出了影响光电定位系统工作能力的因素。通过对光电定位系统的仿真和实验测试，表明该光电定位系统能够满足机械手完成管道铺设任务的要求。 4、管道施工机械手的控制策略研究 管道施工机械手是一个多输入、多输出的非线性、强耦合的机械系统，且机械手在铺设管道过程所握持水泥管节和机械手自身位姿的时刻变化对机械手系统影响很大，传统的跟踪控制和抗干扰控制已不能满足机械手运动稳定性和抗干扰性要求。本文在对机械手动力学特性进行了分析的基础上，设计了一种基于RBF的10输入、5输出的模糊神经网络控制器，给出了一种不同于传统算法的新型模糊神经网络控制算法，并利用改进的遗传算法对隶属函数和模糊控制规则进行优化，对控制器进行了仿真研究。仿真结果表明:优化后的控制器动态性能良好、在输出信号控制下，各个关节可以很好的动态跟踪输出轨迹，完全能够满足机械手安装水泥管节的精度要求。