携带重载机械臂的移动机器人系统设计与运动控制研究

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随着核工业的不断发展,行业面临着越来越多的核设施检修、退役、事故应急处理等问题。热室作为核原料生产和处理中广泛应用的基础设施,是这些问题发生的典型场景。但是人工不适宜工作在热室内高辐射工作环境,因此行业有着使用机器人代替人工解决这些问题的迫切需求。本文针对热室检修问题,综合分析了核工业领域不同类型的机器人特征以及优缺点,提出了一种携带重载机械臂的移动机器人方案。首先,基于一种典型的热室检修场景,设计了携带重载机械臂的移动机器人结构方案,规划了携带重载机械臂的移动机器人工作流程。之后基于携带重载机械臂的移动机器人结构方案,设计制造并组装了机器人样机以及配套的电控与电气系统。之后,对不同工作阶段的携带重载机械臂的移动机器人分别进行运动学分析,建立了机器人不同工作阶段的数学模型。同时建立了机器人驱动电机的等效物理模型,通过参数估计的方法,得到了电机内部参数。然后,针对机器人不同工作阶段,规划机器人的运动路径:在自主导航阶段,在混合A*算法的基础上,加入了基于具有环境适应搜索圆弧的节点扩展算法以及向前预测的搜索圆弧路径启发算法;在就位阶段,基于机器人五自由度机械臂模型,在关节空间内进行路径规划,得到了各关节的运动曲线。设计了机器人在不同工作阶段的运动控制算法。在自主导航阶段,提出了一种基于搜索圆弧几何信息的可变前视距离纯跟踪算法作为机器人位置环控制器。设计了能够克服两侧履带参数不对称干扰的基于PI控制器的机器人速度环以及电机速度环。在就位阶段针对底盘与重载机械臂各个关节设计了串级控制系统。通过机电联合仿真验证算法效果。最后,开展机器人在自主导航阶段与就位阶段的实验,表明携带重载机械臂的移动机器人方案能够完成目标任务,其路径规划与运动控制算法可行,是解决热室检修问题中的一种合理方案。
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