针对传统沉井基础施工设备取土效率低、地层适应性较差、作业区域存在盲区等问题,设计一款沉井基础取土作业机器人。结合施工需求,对机器人进行结构设计,并对其伸缩臂进行有限元静力学分析,验证了伸缩臂结构设计的合理性和可靠性;基于D-H法和几何法分别建立了机器人正、逆运动学模型,基于几何法建立了机器人关节空间到驱动空间的运动学模型,将铣挖头位姿控制最终转换为各关节液压驱动器的位置控制;设计了机器人关节驱动电液比例控制系统,采用PID控制器对其进行校正,通过仿真验证了控制策略的有效性;通过现场试验对机器人整机使用性能进行分析。试验结果表明:沉井基础取土作业机器人满足沉井施工需求,达到预期目标。

为提高水下掘进机器人臂架作业运行轨迹的稳定性和准确性,从轨迹规划和轨迹跟踪方面入手,对其运动控制进行研究。首先,基于D-H法和几何法依次求解臂架位姿空间到关节空间、关节空间到驱动空间的运动学方程,结合臂架作业特点采用五次多项式算法对其关节运动进行轨迹规划;其次,搭建臂架电液比例控制系统数学模型,为提高系统的响应速度和跟随精度,引入模糊PID控制器对系统进行校正,经仿真验证了该控制算法的有效性;最后,通过试验对臂架的实际作业效果进行验证。试验结果表明:臂架能够按照预定轨迹实现较好的轨迹跟踪效果,满足工程要求。

水下开挖机器人是针对沉井施工作业所研发的特种工程机械,其液压驱动系统的设计至关重要。文中根据机器人各部分机构特点,采用理论计算和仿真分析的方法求解出各液压执行元件的受力特性;综合分析现有工程机械常用液压系统特点,针对水下开挖机器人各执行器作业要求,设计了负载敏感泵和比例多路阀结合的LUDV系统作为其液压系统;最后对机器人整机进行调试和应用。结果表明:水下开挖机器人液压系统在实际工作中表现稳定,满足工程应用要求。