基于图论的凿岩机器人钻臂机构构型综合与创新设计

摘要

钻臂机构作为凿岩机器人的重要组成部分，广泛应用于国家基础建设和能源开采中。凿岩机器人创新设计的关键在于钻臂机构的创新设计，但现有文献中针对凿岩机器人钻臂机构构型综合与创新设计的研究仍存在很大欠缺。本课题为解决此问题，运用图论对凿岩机器人钻臂机构构型进行了系统的型综合，建立了相应运动链的图谱库。结合现有钻臂机构的特点和创新设计要求给出了具体的筛选标准，在图库中进行筛选，力求找出所有满足创新设计和实用要求的机构构型，突破国外对重工业专利的封锁，实现钻臂机构构型的创新设计。具体研究内容如下:　　1)修正了高阶邻接点值的求解公式，实现了利用高阶邻接点值序列对拓扑图中各顶点的特性进行唯一陛描述，验证了运用高阶邻接点值的异同来辨别拓扑图顶点的相似性。在高阶邻接点值序列求解的基础上，对两个拓扑图分别进行定值赋值和不定值赋值，判别并求解拓扑图顶点之间的对应关系，根据对应关系对邻接矩阵进行先行后列变换，并用变换后的邻接矩阵与另一拓扑图的邻接矩阵相比较来识别拓扑图的同构。修正后的高阶邻接点值序列既能求解拓扑图的相似点又能辨别拓扑图同构。　　2)分析了常用钻臂机构构型的相关参数，建立了钻臂机构运动链的图模型。根据拓扑图中最长路径包含的构件数大于等于N-3的特性，运用排列组合的方式寻找各最长路径下对应的邻接矩阵，并对各邻接矩阵对应的拓扑图进行结构合理性判别，排除含单度顶点、离散顶点、刚性子链及其同构的拓扑图。给出了机构构型综合的算法流程图，编写了综合程序，建立了7构件和9构件的图库，实现了机构构型的自动综合。　　3)根据现有钻臂机构结构特点和创新设计的功能要求，给出了具体的结构筛选标准和功能优选标准，在机构构型综合的结果中进行筛选，最终获得了56种适用钻臂机构要求的机构拓扑图。　　4)钻臂机构构型创新设计。运用三角函数变换和闭环矢量法建立了钻臂机构的运动学模型，借助Matlab语言编写了参数优化程序，搭建了参数优化界面。根据优化参数借助Solidworks2016建立了零件的三维模型，并将模型导入Adams中进行虚拟动作仿真。最后对钻臂机构进行了静力学分析、样机加工与试验。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1凿岩机器人研究现状

1．2．2运动链同构判别研究现状

1．2．3平面运动链综合研究现状

1．3本文主要研究内容

1．4论文的创新点

1．5本章小结

第二章拓扑图的相似点求解和同构判别

2．1拓扑图的基本概念

2．2高阶邻接点值序列

2．2．1拓扑图的初始赋值和高阶邻接点值

2．2．2相似点求解实例

2．3拓扑图的同构判别

2．3．1同构识别步骤

2．3．2同构判别实例

2．4本章小结

第三章钻臂机构构型综合

3．1钻臂机构构型分析

3．2钻臂机构构型综合

3．2．1邻接矩阵的获取

3．2．2邻接矩阵筛选

3．3运动链综合软件

3．4可分离拓扑图的筛选方法

3．5本章小结

第四章钻臂机构构型筛选

4．1运动链的结构筛选标准

4．2运动链的功能优选标准

4．2．1拓扑图距离矩阵的求解

4．2．2拓扑图最小自由度矩阵求解

4．2．3拓扑图连通度矩阵的求解

4．2．4距离矩阵、最小自由度矩阵和连通度矩阵的自动求解软件

4．3备选点组的确立及机构拓扑图同构判别

4．4集自动构型综合与筛选软件介绍

4．5功能优选结果

4．6本章小结

第五章钻臂机构创新设计与试验

5．1钻臂机构运动学建模

5．1．1求解各个内角

5．1．2求解各关节点处坐标

5．2钻臂机构参数优化软件

5．3三维建模和仿真

5．4钻臂机构静力学分析

5．5样机加工与试验

5．6本章小结

6．1总结

6．2展望

参考文献

附录

攻读学位期间的研究成果

致谢