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自行走地下管道掘进机器人系统的设计与研制
| 论文题名： | 自行走地下管道掘进机器人系统的设计与研制 |
| 关键词： | 地下管道;掘进;机器人系统;调整机构;位姿调整;并联机构;结构设计;机构组成;位移;特征矩阵;市政;驱动;管网建设;构型;方案;自由度;液压;位置逆解模型;矩阵图;城市 |
| 摘要： | 地下隧管道掘进是市政工程管网建设的主要工作之一。在工程中，由于受到施工场地、道路交通，城市地下已有管道的影响，传统的盾构、顶管法都存在制约当前市政管网建设发展新型管壁、急曲线技术的现象。论文以“十一五”国家重大科技支撑计划项目-“城市市政隧（管）道自行走式施工技术和装备研究”(2006BAJ16B06)为课题，开展自行走掘进机器人相关理论及关键技术的研究，对发展城市地下市政建设迫切需要的新技术、新装备及其施工新技术的研究与应用具有重要意义。 首先，论文进行了自行走掘进机器人概念设计。确定了自行走机器人行进的工作原理及方案，进行了机构构型设计，根据机构运动链及机构组成方案比较分析，提出了由两个串联机构和一个并联机构组成的混联构型。采用构型综合法，自由度特征矩阵图谱枚举法，找出与位姿调整机构自由度特征矩阵图谱相关的位移子群及位移子流形，初步得到位姿调整机构的4-SPS-1-SP构型方案。 其次，建立了并联位姿调整机构位置逆解模型和速度映射模型。得到了并联机构驱动杆伸长量与动平台位姿、角度位移与驱动杆长和平台转动角速度与驱动杆位移速度之间的关系。采用了增加支链的方法，得到5-SPS-1SP冗余驱动的并联机构，消除了位型奇异。并确定为位姿调整机构方案。 再次，论文进行了掘进推力等主要参数的计算。进行了样机机械系统结构设计，完成了掘进机器人位姿调整机构、主推进机构、辅助推进机构和增阻机构的具体结构设计。研制出了由掘进头节、中节、后节、尾节及压囊撑阻机构、液压位姿调整并联机构、主液压推进机构和辅助跟随液压机构组成的实验装置，并完成了组装调试。 然后，确定了控制系统的主要控制模块及掘进控制的流程。确定采用主从式、分布式的整体控制方式。针对白行走掘进的施工特点设计了一种具有独立行程和姿态校正的专用导航装置，并完成了自动导航流程的逻辑设计。 最后，进行了掘进机器人自行走的现场验证试验，试验数据及结果分析为后续实体样机的研制提供有益的经验。 |
| 作者： | 许东来 |
| 专业： | 机械设计及理论 |
| 导师： | 余跃庆 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 北京工业大学 |
| 学位年度： | 2009 |
| 正文语种： | 中文 |
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