本發(fā)明涉及可靠性分析，特別是指一種盾構(gòu)換刀機(jī)器人定位精度的可靠性分析方法。

背景技術(shù)：

1、盾構(gòu)機(jī)，作為盾構(gòu)施工中的核心設(shè)備，其重要性不言而喻。在盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)過程中，它所面臨的地質(zhì)環(huán)境千變?nèi)f化，難以預(yù)測(cè)。這種不確定性對(duì)施工中的刀盤刀具提出了極高的要求，刀具在掘進(jìn)過程中因地質(zhì)的復(fù)雜性而磨損嚴(yán)重，因此在一次施工中，往往需要進(jìn)行多次的換刀作業(yè)。

2、傳統(tǒng)的換刀作業(yè)通常由人工完成，但這種方式存在諸多弊端。首先，人工換刀效率低下，耗費(fèi)大量時(shí)間，直接影響了整個(gè)工程的進(jìn)度。其次，在狹窄、復(fù)雜的盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行換刀作業(yè)，操作人員的人身安全難以得到充分保障。為了解決這些問題，科研人員和技術(shù)人員提出了采用換刀機(jī)器人代替人工進(jìn)行自主換刀作業(yè)的方案。

3、換刀機(jī)器人的引入，無疑為盾構(gòu)施工帶來了革命性的變化。其高精度的定位能力可以大大提升換刀過程的施工效率，顯著減少換刀所需的時(shí)間，進(jìn)而提高了整體工程的效率。然而，隨著機(jī)器人技術(shù)的深入應(yīng)用，也暴露出了一些挑戰(zhàn)和問題。

4、為了滿足換刀機(jī)器人的裝配關(guān)系和實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)功能，機(jī)器人關(guān)節(jié)之間必然存在一定的間隙。這些間隙，加上重要關(guān)節(jié)因負(fù)載和自身重量而產(chǎn)生的柔性變形，都會(huì)對(duì)機(jī)器人的末端運(yùn)動(dòng)精度產(chǎn)生影響。更為復(fù)雜的是，機(jī)器人在運(yùn)行過程中，關(guān)節(jié)副之間的接觸和沖擊磨損會(huì)使這些間隙進(jìn)一步變形，從而導(dǎo)致機(jī)器人末端的位姿精度進(jìn)一步惡化。

5、因此，在采用機(jī)器人進(jìn)行換刀作業(yè)時(shí)，其定位精度的可靠性成為了我們必須面對(duì)和解決的問題。為了提高盾構(gòu)換刀機(jī)器人的定位精度，科研人員和技術(shù)人員需要不斷探索新的方法和技術(shù)，如優(yōu)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高關(guān)節(jié)的制造精度、采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)等，以確保機(jī)器人在復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境中能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地完成換刀任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種盾構(gòu)換刀機(jī)器人定位精度的可靠性分析方法。

2、本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：

3、第一方面：

4、本發(fā)明實(shí)施例提供的一種盾構(gòu)換刀機(jī)器人定位精度的可靠性分析方法，包括：

5、s1、建立換刀機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，步驟包括明確機(jī)器人dh參數(shù)、建立機(jī)器人理論模型和實(shí)際模型，最后求得機(jī)器人誤差模型；

6、s2、構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差代理模型，步驟包括實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、建立代理模型和優(yōu)化模型參數(shù)；

7、s3、對(duì)參數(shù)誤差做靈敏度分析，步驟包括整理模型誤差隨機(jī)變量、由聯(lián)合概率密度得到失效概率、求取失效概率的均差和方差、求解靈敏度因子、最后得到誤差參數(shù)的靈敏度。

8、所述s1具體包括：

9、s11、換刀機(jī)器人的末端位姿包括連桿長(zhǎng)度、連桿偏置、連桿扭角和軸的扭角，換刀機(jī)器人的連桿均視為剛體，并對(duì)每個(gè)連桿分別建立坐標(biāo)系，通過齊次變換得到剛體描述矩陣，連乘所有所述剛體描述矩陣，得到換刀機(jī)器人的末端位姿矩陣t，

10、t＝f(a，d，α，θ)

11、上述式中，a表示連桿長(zhǎng)度、d表示連桿偏置、α表示連桿扭角和θ表示軸的扭角；

12、s12、考慮裝配誤差和加工誤差后，換刀機(jī)器人的實(shí)際位姿為，

13、t′＝f(a+δa，d+δd，α+δα，θ+δθ)

14、δt＝t-t′

15、上述式中，δa、δd、δα和δθ分別表示連桿長(zhǎng)度誤差、連桿偏置誤差、連桿扭角誤差和軸的扭角誤差；

16、s13、當(dāng)δa、δd、δα和δθ均較小時(shí)，簡(jiǎn)化為線性方程，

17、

18、上述式中，和泛指換刀機(jī)器人中各個(gè)軸的dh參數(shù)。

19、所述s3具體包括：

20、s14、將換刀機(jī)器人各個(gè)軸的誤差參數(shù)δa、δd、δα和δθ整理為一個(gè)隨機(jī)參數(shù)變量x＝[x1，x2，…，xn]t；

21、s22、將各變量的聯(lián)合概率密度定義為fx(x)，各個(gè)誤差參數(shù)之間視為相互獨(dú)立，則聯(lián)合概率密度分布為各個(gè)隨機(jī)參數(shù)變量共同得到下式，

22、

23、同時(shí)換刀機(jī)器人定位精度失效概率為，

24、pf＝∫fx(x)dx

25、上述式中，f為換刀機(jī)器人發(fā)生定位精度失效的區(qū)域；

26、s23、對(duì)于換刀機(jī)器人誤差變量靈敏度求解的過程，實(shí)際上是對(duì)換刀機(jī)器人定位精度失效概率求取均值和方差偏導(dǎo)的過程，

27、

28、s24、由大數(shù)定律知，對(duì)換刀機(jī)器人定位精度靈敏度失效的計(jì)算可表示為，

29、

30、上述式中，為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，包括均值和標(biāo)準(zhǔn)差，

31、

32、

33、將對(duì)均差和標(biāo)準(zhǔn)差求偏導(dǎo)結(jié)合靈敏度失效計(jì)算公式得到失效概率對(duì)隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差的影響程度，

34、

35、

36、s25、在得到每個(gè)誤差變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差影響程度后，對(duì)和取絕對(duì)值得到，

37、

38、進(jìn)而求得隨機(jī)參數(shù)靈敏度因子，

39、

40、通過對(duì)每個(gè)換刀機(jī)器人定位精度可靠性在各個(gè)關(guān)節(jié)軸上的靈敏度分析，得出換刀機(jī)器人對(duì)各關(guān)節(jié)軸上各誤差的敏感程度，通過比較關(guān)節(jié)處的移動(dòng)誤差和旋量誤差，分析關(guān)節(jié)軸誤差的敏感程度，對(duì)不同構(gòu)型的換刀機(jī)器人，構(gòu)型的不同使得換刀機(jī)器人對(duì)誤差參數(shù)的敏感程度也不同，通過對(duì)不同構(gòu)型的換刀機(jī)器人進(jìn)行分析，在設(shè)計(jì)初期避免誤差，從而提高換刀機(jī)器人定位精度的可靠性。

41、本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果至少包括：

42、(1)在本發(fā)明中，通過提高盾構(gòu)換刀機(jī)器人的定位精度，可以顯著減少換刀所需的時(shí)間，進(jìn)而提升施工效率。同時(shí)，機(jī)器人換刀減少了人工操作的依賴，降低了操作人員因長(zhǎng)時(shí)間工作和高強(qiáng)度勞動(dòng)而帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工過程的安全性；

43、(2)在本發(fā)明中，本發(fā)明提供的定位精度可靠性分析方法，能夠準(zhǔn)確識(shí)別影響機(jī)器人定位精度的主要誤差來源。這為設(shè)計(jì)師在機(jī)器人設(shè)計(jì)與制造階段提供了重要的參考依據(jù)，有助于他們?cè)谠O(shè)計(jì)階段就避免或減小這些誤差，從而制造出更加精準(zhǔn)、可靠的換刀機(jī)器人。

技術(shù)特征：

1.一種盾構(gòu)換刀機(jī)器人定位精度的可靠性分析方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)換刀機(jī)器人定位精度的可靠性分析方法，其特征在于，所述s1具體包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種盾構(gòu)換刀機(jī)器人定位精度的可靠性分析方法，其特征在于，所述s3具體包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種針對(duì)盾構(gòu)換刀機(jī)器人定位精度的可靠性分析方法，通過構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和誤差代理模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)誤差參數(shù)的靈敏度分析，從而準(zhǔn)確評(píng)估了定位精度的失效概率。綜合考慮了裝配和加工誤差，將誤差參數(shù)作為隨機(jī)變量處理，提高了分析的準(zhǔn)確性和效率。利用隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行靈敏度計(jì)算，得出了定位精度靈敏度的失效計(jì)算方法，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。本發(fā)明不僅有助于減少換刀時(shí)間，提升施工效率，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，還能為設(shè)計(jì)師提供精準(zhǔn)、可靠的換刀機(jī)器人制造方案。該方法具有通用性和靈活性，可廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)換刀機(jī)器人的性能提升和故障預(yù)防。本發(fā)明的實(shí)施，將推動(dòng)盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展，為工業(yè)自動(dòng)化和高效生產(chǎn)提供有力支持。

技術(shù)研發(fā)人員：王濤涌,鄧斌,王凱峰,崔望朔,吳委員,孫清超,朱瑞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9