管道施工机械手控制系统与路径规划研究

摘要

随着城市化地下施工的不断发展进步，对大型地下埋设管道施工现场的安全与自动化控制的要求也不断提高，地下埋设管道施工机械手的研发制造随之发展。管道施工机械手是一种自动化的机器人装备，工作时以挖掘机为载体，将挖掘机铲斗卸下，机械手安装在挖掘机的铲斗部位，通过操作挖掘机上的机械手来实现对管道的夹持对接安装操作。为了提高安装精度，避免手动控制而产生的安全隐患，管道施工机械手一般采用自动控制系统。
　　本文设计了管道施工机械手的控制系统，主要采用单片机控制系统控制管道施工机械手。运用Keil uVisio2和TopWin两个软件对单片机控制系统进行程序的烧制和调试，使单片机控制系统能输出控制伺服阀的准确电压信号，从而使管道施工机械手按照预定的工作要求完成施工埋设中对管道的定位安装操作。实验结果表明，在单片机控制系统下管道施工机械手能够按照约定的工作要求完成指定的动作，从而实现管道施工机械手的自动控制，这样就大大的提高了施工效率，并且改善了管道埋设中的施工安全。
　　通过Visual Basic软件编写上位PC机控制程序，实现对下位机单片机的输入控制，单片机控制系统输出的信号通过伺服放大器输入给管道施工机械手液压系统的伺服阀，从而控制液压缸执行相应的动作。
　　最后对管道施工机械手的路径规划作了研究及仿真。本文运用路径规划方法中的人工势场法对该机械手路径问题进行研究，并在三维空间中对其进行了运动仿真。为了使机械手的运动轨迹更接近实际情况，并能使机械手避开离目标点很近的障碍物而到达目标点，对机械手的路径规划进行三维空间势力场研究。对传统的人工势场理论进行改进，通过增加调节因子构造出一个新的斥力场函数，并将机械手的运动轨迹扩展到三维空间。通过Matlab软件平台进行轨迹规划的模拟仿真。仿真结果表明，采用改进的人工势场法，即使障碍物与目标点很接近时，机械手也能有效的避开障碍物而迅速到达目标点。这样就能够控制管道施工机械手夹持管道，避开埋设施工现场的障碍物，按照预定的施工要求，以最快的速度到达管道的安装位置，提高了施工安全和效率。