盾构机换刀机械手的轨迹规划与轨迹跟踪研究

摘要

盾构机(Shield Machine)换刀任务主要是由作业人员进入高压泥水舱进行刀具的检查和更换。在进行换刀工作的时候，工作人员是工作在高压的环境中，会对人体健康产生较大的影响。因此设计代替人工换刀的机械手来更换磨损的刀具，不仅避免了人工带压进舱作业的危险，而且还提高了换刀效率和加快了工期进程。本文主要研究目的是控制机械手完成换刀任务，主要研究了两大部分内容盾构机换刀机械手的轨迹规划和轨迹跟踪。 首先，用Solidworks把盾构机换刀机械手的三维模型设计出来并且作为研究对象，结合其模型来研究机械手的运动学。描述了机械手位姿及空间坐标变换，确定了盾构机换刀机械手的D-H参数并建立了D-H参考坐标系。用Robotics Toolbox把机械手的运动学模型建立起立和进行模型仿真。最后计算换刀机械手的正运动学得到转换矩阵和用逆运动学得到各关节角，同时用Robotics Toolbox来仿真验证。 然后，以盾构机换刀机械手为对象，对其每个关节进行轨迹规划。分别介绍和对比了关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划的优点与缺点。机械手的关节空间轨迹规划包括三次多项式插值方法和五次多项式插值方法。经过分析对比对盾构机换刀机械手进行轨迹规划时采用五次多项式插值。用Robotics Toolbox工具箱来仿真验证。 其次，介绍了回声状态网络（Echo State Network,ESN）算法，解释了其基本原理和结构，还说明了仿真应用时要设置的网络关键参数，确定了ESN网络采集数据处理方法和训练后评价指标，最后以机械手为对象用离线训练方法对ESN网络的性能进行了测试仿真验证。 最后，盾构机换刀机械手用拉格朗日方法建立其动力学模型。针对换刀机械手轨迹跟踪问题，设计了ESN控制器去逼近换刀机械手动力学数学模型中的不确定部分,用滑模控制器克服了逼近系统模型时的误差和外部的干扰，增加了系统的鲁棒性。用Lyapunov定理进行推导证明了整个控制系统的稳定性。用Matlab/Simulink建立系统的仿真模型，验证了仿真的正确性。