【摘 要】
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针对核应急处置机器人装备需求,研制一款适用于涉核装置复杂工况救援的拆解机器人,主要开展拆解机器人移动载体关键技术研究,包括移动载体总体方案设计、关键性能分析、转向控制方法研究及运动学仿真分析等。课题研究取得如下成果:(1)针对核应急处置救援拆解需求,分析了拆解机器人的性能指标,并在行走及驱动选型基础上,提出了适用于核应急复杂工况的基于履带式和液压驱动的拆解机器人移动载体方案;在整机质量校核基础上,
【基金项目】
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国家重点研发计划项目,项目名称:强辐射条件下拆解机器人系统设计集成及试验验证,项目编号:2019YFB1310805;
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针对核应急处置机器人装备需求,研制一款适用于涉核装置复杂工况救援的拆解机器人,主要开展拆解机器人移动载体关键技术研究,包括移动载体总体方案设计、关键性能分析、转向控制方法研究及运动学仿真分析等。课题研究取得如下成果:(1)针对核应急处置救援拆解需求,分析了拆解机器人的性能指标,并在行走及驱动选型基础上,提出了适用于核应急复杂工况的基于履带式和液压驱动的拆解机器人移动载体方案;在整机质量校核基础上,对拆解机器人载体分布进行了设计,完成了液压器件选型及参数校核计算。采用模块化设计方法,基于工控机和网络遥操作提出了拆解机器人的控制系统方案,针对核辐射使用场景,开展了控制系统辐照防护设计,采用内置于移动载体的集中屏蔽腔为控制系统敏感元件提供了辐照防护保障。(2)基于运动学理论,分析了履带底盘三种基本行走方式和履带子系统之间的关系,推导出转向半径的计算公式以及履带底盘所受到的行走及转向阻力计算公式。对履带底盘的极限转向工况进行分析,求出了转向半径与通道宽度的关系。基于几何、滑移和倾翻稳定性等约束条件分析了拆解机器人底盘越障的极限特性,得出了其爬坡、越凸台和越沟壑的理论分析数据,理论验证了底盘结构设计的可行性,并为转向控制和动力学仿真提供理论基础。(3)通过转向姿态矫正分析确定了转向控制方法,在履带底盘转向控制系统单元模块分析基础上,建立了移动载体电液比例控制系统关键部件数学模型,构建了基于转角反馈的转向闭环控制系统。提出了适用于本拆解机器人移动载体转向控制的Fuzzy-PID控制算法,设计了基于转角偏差模糊规则的模糊PID控制器,以此为基础融合自建增量式PID和系统传递函数建立了转角控制系统仿真模型,采用阶跃输入及正弦干扰分析系统动态响应过程,通过仿真分析,该控制器跟踪性能优越。(4)通过Recur Dyn软件建立了拆解机器人整机仿真模型,根据履带材料、路面工况,选择不同的地形进行仿真与分析,结果表明:1)履带底盘在不同路况下行驶时,其驱动力矩和功率的仿真值和理论分析值相比,误差较小;2)履带底盘满负载状态下能够平稳爬越34°斜坡,满足防倾翻特性设计;3)履带底盘跑偏率小、滑移率低,平地行走稳定且行驶性能良好;4)履带底盘可以平稳翻越206mm高的凸台和1200mm宽的沟壑,越障稳定且性能良好;5)履带底盘差速转向行驶,其转向半径仿真值与理论值的误差小且转向平顺稳定、性能良好。仿真分析验证了运动特性理论推导的正确性,表明履带底盘机械结构的设计合理。上述研究已用于我国核事故场景下运动作业的涉核拆解机器人履带底盘的产品开发,为底盘的研制开发和控制技术提供了理论数据和技术支撑,具有显著的理论意义和工程实用价值。
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