一种非开挖市政道路施工微型钻孔机器人控制系统关键技术的研究

摘要

随着国家经济和城市建设的迅速发展，基础设施建设的力度加大，城市管线，如自来水、煤气、下水道、电力、光缆等各类管线的铺设、更换和修复工程量急剧增加。如果还继续沿用传统的“挖槽埋管法”不但破坏原路面质量，同时将对地上交通造成很大的影响，给市民的工作和生活带来诸多不便。为了解决这个问题，近年来非开挖道路施工技术迅速发展。 我国的一些重大工程需要向国外进口非开挖管道施工设备，其价格昂贵(通常不低于100万元)，并且不适合我国窄小的城市道路上施工的要求。因此，研究结构简单、价格低廉、性能可靠、环保、适合我国国情的市政道路非开挖钻孔技术，是我国城市市政文明建设的需要。 本课题以苏州市攻关项目“非开挖市政道路施工钻孔机器人”(简称钻孔机器人)为研究背景，进行钻孔机器人系统工艺过程智能控制方法的研究，力求控制系统结构简易、经济、高效。本文共分六章，主要研究内容如下： 第一章首先阐明了本课题的来源及研究意义，并通过对目前国内外非开挖钻机导向、定位等控制方法现状的调查研究，确立了本课题主要研究内容及关键技术。 第二章通过对微型钻孔机器人基本原理，以及机器人运动学原理的学习研究，构建了微型钻孔机器人位姿模型和直流驱动系统伺服控制模型。 第三章在分析研究传统智能控制方法的基础上，以及对自适应控制原理与可拓控制比较分析，最后确立了本课题采用自适应与可拓控制相结合的方法，对微型钻孔机器人进行控制，并建立了微型钻孔机器人可拓自适应控制器。最后，对直流传动系统调速算法进行了研究。 第四章根据微型钻孔机器人对水平与方位控制的要求，并通过研究，提出了一种结构简单、性能可靠的水平与方位控制方法。 第五章利用PROTEUS软件，对微型钻孔机器人智能控制系统进行仿真。仿真结果验实了本课题研究的钻孔机器人控制系统的可行性、先进性与实用性。 第六章对本文所做的主要研究内容进行了总结和概括，并对仿真研究优化的结果进行分析，提出了不足和展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1课题来源及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1钻机导向控制发展状况

1.2.2钻机姿态测量与控制现状

1.3本课题关键技术与主要研究内容

1.4本章小结

第二章 系统方案与运动学建模

2.1微型钻孔机器人基本原理

2.2机器人运动学基础

2.2.1机器人位置与姿态

2.2.2坐标变换与齐次变换

2.2.3运动姿态的表示

2.3微型钻孔机器人位姿模型

2.3.1位置控制器结构模型

2.3.2位姿方程的建立

2.4驱动电机伺服控制模型

2.4.1直流传动系统模型

2.4.2直流驱动速调整

2.5本章小结

第三章 基于可拓理论智能控制方法与算法

3.1传统智能控制方法的研究

3.2机器人的自适应控制

3.3可拓控制策略

3.3.1可拓控制概述

3.3.2可拓控制方法的研究

3.3.3优度评价方法的确立

3.4微型钻孔机器人可拓自适应控制

3.4.1可拓自适应控制结构

3.4.2可拓控制器的设计

3.4.3智能控制开关设计

3.5控制算法的研究

3.5.1 PWM调速原理

3.5.2直流电动机调速的程序设计

3.6本章小结

第四章 控制系统硬件技术的研究

4.1水平与方位控制系统的提出

4.2水平控制系统的研究

4.2.1水平控制系统主要发展情况及其原理

4.2.2水平测量系统的初步探索

4.2.3水平控制系统的构建

4.3方位控制系统的研究

4.3.1机器人方位控制系统的状况及原理

4.3.2机器人方位控制系统的构建

4.4钻孔机器人钻头柔顺控制方法的研究

4.4.1柔顺运动概述

4.4.2力和位置混合控制方案

4.5本章小结

第五章基于PROTEUS的系统仿真研究

5.1基于PROTEUS的电路设计与仿真

5.1.1 PROTEUS概述

5.1.2 PROTEUS ISIS编辑环境

5.2系统电路设计及仿真

5.2.1电路原理图的设计流程

5.2.2系统的电路设计

5.2.3系统仿真与结果分析

5.3直流电动机驱动设计与仿真

5.3.1直流电动机驱动设计

5.3.2钻孔机器人调速整体控制与仿真

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致 谢