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冷库排管攀爬机器人自主运动规划方法研究.pdf

发布:2024-11-28约8.13万字共76页下载文档
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摘要

近年来,随着我国冷链行业的快速发展,冷库的数量和规模也在急剧上升。由

于冷库内部长期处于高湿低温的环境,使得冷库制冷管道极易结霜。目前,排管冷

库的除霜方式主要有人工除霜、电加热除霜、热气除霜和喷水除霜等。这些传统的

除霜方式在实际应用中往往存在一定的局限性,如除霜效率低、除霜成本高、使库

温波动大以及对人体危险性高等。这不仅增加了企业的运营成本,还导致了能源浪

费。因此,有必要开发出一种新的除霜方式来代替传统方法,而攀爬机器人技术的

发展使其成为了可能。本文通过对国内外现有管道攀爬机器人的结构设计、应用背

景和技术发展进行调查和研究,提出了一种四足机器人与机械夹爪相结合的管道

攀爬机器人样机设计方案。该机器人结合路径规划技术,能够实现在复杂排管环境

下的稳定爬行。本文的主要研究内容如下:

(1)仿照自然界蜘蛛的身体结构和运动方式对机器人整体结构进行设计,并在

Solidwords软件中建立管道攀爬机器人模型;采用ANSYSWorkbench软件对机器

人极限状态下关键部件的受力情况进行分析,验证机器人整体结构的可行性。

(2)为提高机器人的工作效率和爬行稳定性,对机器人的运动步态进行规划。

采用D-H参数法对机器人腿部进行运动学建模,并求解出运动学正、逆解方程;

采用蒙特卡洛法对机器人腿部的工作空间进行求解,确定其运动范围。根据机器人

的工作环境特点规划两种攀爬步态即爬行步态和越障步态。最后,在Adams软件

中对所规划的步态进行仿真验证。

(3)对现有路径规划算法进行改进。为解决管道攀爬机器人在复杂环境下的避

障与路径规划问题,本文提出一种改进A*算法与改进动态窗口法(Dynamicwindow

approach,DWA)相融合的路径规划方案。通过对传统A*算法的搜索方向、启发

函数和冗余节点进行改进,并与DWA算法相融合,使机器人可以快速规划到全局

最优路径,并获得动态避障的能力。

(4)对管道攀爬机器人各零部件进行加工与组装,制作机器人物理样机。使用

树莓派4B作为机器人的中心控制器,并结合其他传感器模块组成机器人的硬件控

制系统。通过下位机对机器人腿部电机进行控制,并分别在实验室环境和冷库排管

环境下对样机进行管道攀爬实验。

关键词:管道攀爬机器人;机械结构设计;运动学分析;步态规划;路径规划

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofChinascoldchainindustry,the

numberandscaleofcoldstoragefacilitieshavealsobeenrapidlyincreasing.Duetothe

long-termhighhumidityandlowtemperatureenvironmentinsidethecoldstorage,the

refrigerationpipelinesarepronetofrostformation.Atpresent,thedefrostingmethodsfor

ductedcoldstoragemainlyincludemanualdefrosting,electricheatingdefrosting,hotair

defrosting,andwatersprayingdefrosting.Thesetraditionaldefrostingmethodsoften

havecertainlimitationsinpracticalapplications,suchaslowdefrostingefficiency,high

defrostingcost,largefluctuationsinstoragetemperature,andhighrisktohumanhealth.

Thisnotonlyincreasestheoperatingcostsoftheenterprise,butalsoleadstoenergywaste.

Therefore,itisnece

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