伸缩式TBM换刀机器人机身设计及控制律对比

摘要

全断面岩石掘进机（简称TBM）因其快速、优质、安全、经济等优点，已广泛用于隧道的开挖，更高的掘进效率、更安全的作业模式已成为TBM未来的发展趋势，但现有的人工换刀方式严重影响了掘进效率与施工安全，“换刀险”的行业难题成为制约复杂地质隧道施工安全与效率的瓶颈，因此，实现自动换刀作业的“机器换人”高效安全作业模式势在必行，而机器人机身作为换刀机器人的重要组成部分，其结构设计、轨迹规划及运动控制显得极为重要。TBM内部狭小的空间、刀盘背部复杂分布的磂渣板以及重达250Kg的滚刀重量都给机身系统的设计提出了极大的挑战，为解决这一难题，本文的主要工作如下： （1）针对机身工作空间狭小的问题，设计了一种PPRP式串联机器人机构形式，其各关节运动方向与TBM内部狭长空间契合，有效利用了TBM内部有限空间，且该机构的后两关节自由度与滚刀的极坐标布置形式相适应，避免了后期逆运动学求解。 （2）为保证机身刚度，结合空间剪式升降机与伸缩板的结构特点设计了一种新型伸缩结构作为机身小臂，以某工程TBM为例，对机身小臂及机身其余部分进行具体的结构设计，并进行静力学分析，结果表明，机身各部分相对变形量均在1%以下，最大应力均在300MPa以下。 （3）为保证机身各关节运动快速无冲击，结合梯形速度曲线与五次多项式曲线的特点设计了一种混合曲线用于轨迹规划，并设计了轨迹规划最短运动时间的求取方法，最后以关节1为例进行规划，结果表示，在保证关节无冲击的前提下，混合曲线较五次多项式曲线而言，其运动时间缩短了16.1%。 （4）为保证换刀过程无人化，设计了一种基于动力学模型补偿的变结构PID控制规律，将其与基于模型补偿的PID控制相比较，结果表明，基于动力学模型补偿的变结构PID控制的稳定时间相比于基于模型补偿的PID控制缩短了0.085%，运动跟踪情况与驱动力极值基本一致。 （5）针对机器人系统的验证问题，分析了TBM刀盘与主梁的结构特点，对TBM刀盘与主梁进行了一定程度的简化并设计了相应的换刀实验平台，通过单把滚刀的位姿变化来模拟刀盘下半部分所有滚刀，为后期换刀机器人系统的实验验证提供平台基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 全断面隧道掘进机换刀机器人研究现状

1.2.2 串联机器人运动分析研究现状

1.2.3 机器人轨迹规划研究现状

1.2.4 机器人运动控制研究现状

1.2.5 国内外研究现状总结

1.3 本文研究内容及技术路线

1.3.1 本文研究内容

1.3.2 本文技术路线

2 狭小空间下四自由度伸缩式TBM换刀机器人机身结构设计

2.1 引言

2.2 机身工作环境分析

2.3 机身方案对比及功能分析

2.4 伸缩式小臂设计

2.4.1 大伸缩比机械结构性能对比分析

2.4.2 小臂结构设计

2.5 机身大臂设计

2.6 机身基座设计

2.7 机器人换刀范围分析

2.8 本章小结

3 基于多项式插值与梯形速度曲线的轨迹规划方法设计

3.1 引言

3.2 关节运动限制条件分析

3.3 轨迹规划最短行程时间计算方法

3.4 关节轨迹规划算法设计

3.4.1 梯形速度曲线规划

3.4.2 多项式插值曲线规划

3.4.3 混合插值曲线规划

3.4.4 各规划方法对比

3.5 关节路径验证

3.6 本章小结

4 基于动力学模型补偿的控制规律设计及仿真对比

4.1 引言

4.2 运动学建模

4.2.1 运动学推导

4.2.2 运动学验证

4.3 动力学建模

4.3.1 机身结构模型简化

4.3.2 势能分析

4.3.3 动能分析

4.3.4 动力学推导

4.3.5 动力学验证

4.4 控制系统设计

4.4.1 基于动力学补偿的PID控制

4.4.2 基于动力学补偿的变结构PID控制

4.5 控制系统仿真对比

4.5.1 控制系统模型搭建

4.5.2 仿真结果对比分析

4.6 本章小结

5 适用于TBM自动换刀实验的缩尺验证平台设计

5.1 引言

5.2 TBM刀盘及主梁结构分析与简化

5.3 缩尺实验平台功能介绍及性能指标分析

5.3.1 实验台功能介绍

5.3.2 实验台性能指标分析

5.4 缩尺实验平台机架设计与校核

5.4.1 刀盘部分结构设计

5.4.2 主梁部分结构设计

5.4.3 底座部分结构设计

5.5 实验台样机研制

5.6 本章小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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