隧道鑿巖機器人控制系統(tǒng)及定位誤差分析與補償研究.pdf

1、本文以國內(nèi)首臺隧道鑿巖機器人為研究對象,為實現(xiàn)隧道鑿巖機器人的自動控制而在隧道鑿巖機器人的運動學建模、車體定位、機械臂運動學求逆、機械臂定位誤差分析與補償、控制系統(tǒng)的實現(xiàn)等方面進行了較為深入的研究：
　　 1.針對兩臂隧道鑿巖機器人每個工作臂都是有9個自由度的多關節(jié)耦合型機械手的獨特特點,結(jié)合鑿巖機器人的實際工作環(huán)境特點,采用Denavit-Hartenberg方法進行了鑿巖機器人及其工作環(huán)境的運動學建模,建立了機械臂末桿相對工

2、作對象——隧道斷面的正向運動學方程。并針對其獨特機構(gòu)特點提出了一種線性近似解耦一迭代法運動學求逆方法,將復雜的位姿關系近似線性化,將多變量間的復雜耦合(MIMO)模型近似解耦成多個單輸入單輸出(SISO)模型,再用迭代法求解運動學反解,通過大量仿真驗證與實際應用驗證,表明這種方法能滿足隧道鑿巖機器人控制中的運動學精度要求與實時性要求。
　　 2.車體定位是鉆臂鑿巖定位精度的基礎。采取在工作環(huán)境中安裝激光的方式進行車體定位,推導了

3、激光束坐標系與機械臂末桿坐標系間的關系矩陣,最終推導得到了機械臂末桿相對隧道斷面間的坐標變換矩陣,解決了精確車體定位問題；根據(jù)特殊工況的簡化分別得到了簡單定位和恢復定位兩種簡便的車體定位方式。
　　 3.通過大量的測試試驗,發(fā)現(xiàn)鑿巖機器人機械臂的鉆孔定位存在較大的誤差,直接影響著隧道施工精度。為了分析各環(huán)節(jié)的誤差貢獻,分別對大臂伸縮產(chǎn)生的誤差、推進梁伸縮產(chǎn)生的誤差、翻轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)定位產(chǎn)生的誤差、傳感器輸出信號引起的誤差等環(huán)節(jié)進行試驗

4、研究與分析。試驗表明,這些環(huán)節(jié)都存在較大的位置誤差與姿態(tài)誤差,其中系統(tǒng)誤差為主要因素、伴隨有隨機誤差。影響位姿誤差的主要因素包括指令誤差、檢測誤差、桿件受力彈性變形、機械傳動誤差和機械零部件的制造誤差等等。
　　 4.對引起誤差的原因進行公式推導,從鉆臂機構(gòu)制造誤差和檢測誤差引起的位姿誤差,大臂撓性變形、推進梁的撓性變形、翻轉(zhuǎn)機構(gòu)定位精度產(chǎn)生的位姿誤差等方面進行了計算分析,分析結(jié)果表明大臂端部的位置誤差主要來源于大臂撓性變形,而

5、推進梁伸縮過程中的誤差原因是多方面的,撓性變形只占其中的小部分,液壓油的壓縮性是翻轉(zhuǎn)機構(gòu)定位誤差產(chǎn)生的主要原因。
　　 5.引入虛擬關節(jié)概念,對鑿巖機器人鉆臂定位誤差進行誤差補償方法研究,根據(jù)誤差原因和誤差特征的不同,分別采取坐標變換矩陣直接補償、增加坐標變換矩陣、增加虛擬關節(jié)等方法進行誤差補償,對傳感器誤差采取濾波與校正系統(tǒng)誤差的方法減少誤差。由于引起推進器伸縮過程中位姿誤差的數(shù)學模型難以建立,而運用廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(GRNN