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首页MATLAB仿生拱泥机器人控制建模仿真与关键参数分析
"基于MATLAB的拱泥机器人控制仿真研究" 本文详细探讨了基于MATLAB的拱泥机器人控制仿真的各个方面,该研究由哈尔滨工程大学孟庆鑫教授提出,旨在应对水下复杂环境作业,如沉船打捞、管道敷设和检测等任务。拱泥机器人利用蠕动原理进行移动,其控制系统的开发极具挑战性。 首先,文章概述了国内外水下机器人与拱泥机器人的发展历史和未来趋势,强调了拱泥机器人在物理样机设计和工作原理上的创新。为了理解机器人的运动行为,作者进行了运动学和动力学的研究,构建了三维运动学模型,并通过MATLAB进行仿真验证,以分析机器人在水下泥土环境中的受力状态。 接着,文章深入到关键组件——气动冲击器的建模与仿真。利用MATLAB的Stateflow工具,对气动冲击器的复杂控制逻辑进行建模和仿真,揭示了其参数对系统性能的影响,为冲击器的优化设计提供依据。 考虑到拱泥机器人在实际作业中面临的不确定性,如环境参数变化、非线性特性及外部扰动,文章采用了参数自调整模糊控制策略。设计了模糊控制器来改善机器人转向行走时的性能,并对拱泥头的动力学模型进行了仿真,为结构设计和部件选择提供了指导。 此外,MATLAB作为一种强大的开发语言,在整个研究中起到了核心作用。MATLAB不仅被用来进行运动学和动力学建模,还用于处理复杂控制逻辑和模糊控制设计,体现了其在虚拟样机技术和计算机辅助设计中的广泛应用。 全文结构清晰,从水下机器人的背景介绍到拱泥机器人的具体研究,再到MATLAB在仿真中的应用,层层深入,为后续的工程样机研制提供了理论和技术支持。关键词包括拱泥机器人、仿真、MATLAB,表明了研究的核心内容。
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了拱泥机器人在泥土中受力情况,在此基础上用 Routh 方程建立了拱泥机器人
的动力学方程。
建立拱泥机器人气动冲击器模型,利用 MATLAB/Simulink 软件及其组件
Stateflow 对拱泥机器人冲击器模型进行动态仿真,并分析冲击机构各项参数对
输出性能的影响。
建立拱泥机器人头部冲击时的位置控制系统模型,并进行动态仿真,加入
了模糊控制,并对头部的动力学模型进行动态仿真。
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第2章 机器人结构简介
2.1 仿生拱泥机器人总体样机
拱泥机器人的原理样机由机械本体结构、气压控制系统、传感器检测系统
和计算机控制系统四部分组成。机械本体结构由拱泥头、蠕动爬行机构组成。
在拱泥头与中间段之间、中间段与后段之间的外侧均套有波纹管,以防止泥沙
进入本体内部。
气压控制系统由空气压缩机、蠕动进给气缸、前、后支撑气囊和气动电磁
阀组成;传感器检测系统由检测姿态的电子罗经、检测气囊压力的压力传感
器、检测冲击头位移的直线电位计和检测楔形套筒旋转角度的旋转电位计构
成;计算机控制系统由上位 PC 机和下位单片机系统组成,在 PC 机和单片机
之间采用串行通讯。
拱泥机器人的运动采用周期性动作方式,其动作过程描述为:
1. 转向机构根据位置和位姿的检测判断调整楔形滑块位置分别驱动电机
D1 和电机 D2;
2. 前支撑机构伸出,支撑泥壁,拱泥头在冲击机构的作用下,经过反复冲
击,将前方的泥土冲出长度 d 的孔洞;
3. 后支撑机构伸出,支撑泥壁,前支撑机构收回;
4. 蠕动进给气缸伸出使中部跟进拱泥头距离 d;
5. 后支撑机构收回,前支撑机构伸出,支撑泥壁;
6. 蠕动进给气缸收回带动后部蠕动机构跟进距离 d,完成一个作业循环。
原理样机的主要技术性能指标为:
整机长度:1 800 mm;
头部直径:150 mm;
支撑气囊直径:140~160 mm;
一个动作周期的运动步距:50 mm;
一个动作周期拱泥头的最大转角:11°;
原理样机的重量:24 kg。
仿生拱泥机器人研制是基于自然界中生物蠕动的原理来进行的。拱泥机器
人原理样机总体结构简图如图 2-1 所示。
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通过拱泥机器人的周期性动作,可完成沿预定轨迹的拱泥作业,其间若遇
到不可攻穿的障碍物则拱泥机器人向后蠕动一定距离后,重新选择前进方向,
绕开障碍物后继续沿预定轨迹前进。当拱泥机器人从沉船另一侧钻出后,可被
水下平台运载至下一个拱泥位置继续进行拱泥作业。
2.2 基于蠕动原理仿生拱泥机器人的关键部件
2.2.1 拱泥头
拱泥头工作原理如图 2-2 所示,由缸体 2 冲击活塞 14、控制阀 24、冲击
杆 4、冲击头 9 以及衬套 3、导向密封 17、18 组成。
衬套 3 螺纹联接在缸体 2 的前端,冲击杆 4 安装在衬衫套 3 上,冲击杆 4
受弹簧 5 作用的支配,在冲击杆 4 的尾 部 6 外相连接。尾部 6 与隔套 8(有通
孔 7)在弹簧作用下相连接触。冲击杆 4 外套有带特殊斜度的冲击头 9,安装在
锥面部分。当冲击作用发生在通孔 7 处时,冲击杆 4 和冲击头 9 一起被驱动,
此时弹簧 5 被压缩,件 4 的前部中空凿子部分冲击碎石头时,件 9 的作用是挤
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1.拱泥头 2.波纹管 3.转向机构 4.蠕动进给气缸 5.柔性接头
6.气动电磁阀 7.电子罗经 8.电路板 9.前支撑气囊 10.计算机控制系统
11.后支撑气囊 12.空气压缩机 13.气管
图 2.1 拱泥机器人原理样机总体结构简图
Fig.2.1 Overall structure diagram of move-in-mud robot principle prototype
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1-拱泥头 2-波纹管 3-转向机构 4-蠕动进给气缸 5-柔性接头
6-气动电磁阀 7-电子罗经 8-电路板 9-前支撑气囊 10-计算机控制系统
11-后支撑气囊 12-空气压缩机 13-气管
图 2-1 拱泥机器人原理样机总体结构简图
Fig.2-1 Overall structure diagram of move-in-mud robot principle prototype
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开土壤和形成中空孔洞(其壁是经压实的)。故冲击头 1 前进时,可以将四周的
泥壁压实,后部附属机构同时被拖进
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。
图 2-2 拱泥头的工作原理
Fig.2-2 Working principle of head
在缸体 2 中,冲击活塞 14 是可轴向移动的,其上装有前后导向环 15、
16,环上安装有密封性能的滑块 17、18,后部导向环 16 上滑块 18 与气缸内壁
密封,面前部导向环 15 有一个或多个导气槽 19。故在冲击活塞 14 轴向位移
时,其左边空间的气体能通过导气槽 19 经控制孔 23 流出。冲击活塞的后部有
闭气室 21、控制孔 23 均在滑套壁面 22 上,它们将气室 21 或大气与活塞的左
部空间相联通。而控制阀 24 在使用时,轴向方向是不动的。它伸进冲击活塞
14 的尾部组成气室 21,控制阀 24 的尾部 28 处用软管连接压缩空气。
工作程序如下:
1. 冲击活塞左移。气室 21 充满压缩空气,孔 23 被密封,活塞在压力作用
下加速左移;
2. 冲击活塞冲击做功。在冲击活塞 14 将撞击件 8 之前,控制孔 23 已与气
室 21 相连,压缩空气立即充满活塞的左腔,活塞 14 左腔压力与气室 21 压力
相等,虽然左腔面积比气室 21 面积大,但由惯性作用,冲击活塞 3 仍然高速
撞击冲头,产生冲击功,带动机体 1 前移约 0.2~3 mm;
3. 冲击活塞右移。随着冲击活塞在撞击后速度下降直至停止,此时因压力
面积差别,冲击活塞又在压力作用下向右移动,孔 23 即被关闭直到与大气孔
27 相通,左边压力腔卸荷,气室 21 的压力使冲击活塞的速度降为 0。此后活
塞又开始新的冲击循环过程,冲击头同时也开始另一次冲击过程。
通过调整控制阀 24 的轴向位置,还可以实现冲击头反向的冲击运动。
拱泥头的直径为 63 mm,加扩孔头后的直径为 150 mm,工作压力为
0.5~0.7 MPa,冲击频率为 180~250 次/分。
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