水下焊接機器人設計及其軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、核電是當今世界能源供應中不可缺少的部分，核反應堆的建造一直秉承高標準，但是隨著時間推移，核反應堆的一些設施會損耗，甚至出現破損。放射性物質一旦出現泄漏，檢修人員將直接處于放射性環(huán)境中，安全風險極高。因此，一直以來人們致力于研究利用機器人技術進行核設施的檢測和維修。在一些特定的單一任務結構檢測方面已經取得重要進展。對蒸汽發(fā)生器、反應堆殼體等進行檢測維修的機器人已經很成熟。
　　本文分析了國內外的核電機器人及水下機器人的現狀，研究了它

2、們的結構、運動參數及優(yōu)缺點。核電檢測機器人針對具體的工作環(huán)境設計，很難被移作其他使用；水下機器人驅動方式主要為液壓驅動，以主從式為主，精度取決于操作者，其主要功能是觀測、抓取，不能用于焊接。核救援機器人屬于移動式機器人，主要功能是觀察、測量等，大多無法滿足在水下工作要求。因此針對水下焊接的特點，設計一種針對核反應堆乏水池的水下焊接機器人具有實際意義。
　　基于實際工況設計了六自由度水下焊接機器人本體結構，每個自由度均由獨立旋轉關節(jié)

3、構成。為防止液壓驅動對水體造成污染，關節(jié)采用電機驅動，通過動密封實現關節(jié)防水。關節(jié)采用模塊化設計，各關節(jié)獨立密封，提高了機器人的可靠性。建立了連桿坐標系，采用D-H法對水下焊接機器人進行了正運動學的分析，采用幾何法和反變換法完成了機器人的逆運動學分析，為水下焊接機器人后續(xù)的動力學和軌跡規(guī)劃奠定了基礎。
　　采用拉格朗日法建立了水下焊接機器人的動力學方程，并對方程進行了推導和化簡。對機器人的水動力學進行了研究，證明了切片法和Mori

4、son方程計算水動力學是等效的，得到了水下焊接機器人水動力學方程，并對其進行了推導得到了解析解，在此基礎上使用蒙特卡洛法完成水下焊接機器人動力學方程計算，為電機和減速器的選型以及水下焊接機器人的控制器設計提供了依據。
　　對水下焊接機器人的控制進行了研究。通過對水池環(huán)境進行分析，得出控制系統(tǒng)不僅要滿足位置精度要求，而且要有力控制功能以避免環(huán)境突變引起擠壓、碰撞損害水池和設備。論文采用了基于位置的阻抗控制方案，通過力傳感器測量焊槍與

5、水池間接觸力，根據測得的力調整末端點的軌跡，從而防止接觸力過大或者接觸不到焊接位置而導致焊接失效。由水下焊接機器人動力學方程得到了控制方程，并對其進行了化簡，完成了控制器設計。
　　對水下焊接機器人的軌跡規(guī)劃進行了研究。由變換方程可知對腕部軌跡規(guī)劃可以代替對焊槍軌跡規(guī)劃。分析了焊接的約束條件為速度和位置，得出了可以采用三次樣條法進行關節(jié)坐標空間軌跡規(guī)劃。討論了笛卡爾空間軌跡規(guī)劃的優(yōu)缺點，最后結合關節(jié)空間軌跡規(guī)劃和笛卡爾空間軌跡規(guī)劃