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幕墙安装建筑机器人系统关键技术研究
作 者: 杨冬
导 师: 李铁军
学 校: 河北工业大学
专 业: 机械制造及其自动化
关键词: 幕墙安装 建筑机器人 串并联 标定 振动抑制
分类号: TP242
类 型: 博士论文
年 份: 2013年
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内容摘要
随着我国城市化进程的不断加快,建筑幕墙作为现代建筑物的主导性外部装饰,越来越受到人们的青睐。在建筑幕墙安装施工中,普遍存在着工人劳动强度大、现场安全性差、施工效率低、施工质量难以保证、工艺标准不统一等问题。本文在国家高技术研究发展计划(863计划)板材安装室内装修机器人系统研究(2007AA04Z240)项目的支持下,根据建筑板材安装工艺与安装施工现场环境特征,开展幕墙安装建筑机器人系统关键技术的研究,旨在研发出适用于建筑幕墙安装的自动化、智能化施工设备。本文将围绕幕墙安装机器人的关键技术进行如下研究:1.首先,对目前建筑幕墙手工安装工艺与安装过程中存在的问题进行分析,根据自动化安装的特点,制定出建筑幕墙自动化安装工艺。考察现有国内外建筑机器人及建筑幕墙安装机器人的研究现状,并结合自动化安装工艺对安装机器人结构进行研究与设计。2.根据安装机器人的工作流程,应用机器人运动学理论,建立了串并联结构的运动学反解方程。通过仿真软件对并联机构的反解方程进行了验证,为机器人运动控制提供可靠的理论依据。对并联机构的奇异位形进行了分析,并利用数学分析软件对其姿态调整的工作空间进行搜索求解。3.针对幕墙安装机器人系统工作过程中操作机械手的低频振动,对安装机器人提升系统结构进行了振动模态分析,确定影响幕墙安装精度的振动模态。结合本系统的振动特性,探索基于被动方式的阻尼抑振方法。根据系统振动参数及阻尼抑振原理,提出一种抑振扶墙机构,使系统振动接近临界阻尼振动达到预期的抑振目标。4.运用基于结构光的视觉检测方法检测待安装板材相对于墙体的位置,以克服非结构化建筑环境对图像处理检测精度的影响。通过对结构光视觉数学模型的分析与图像处理算法的研究,建立基于线结构光的视觉检测系统。应用基于神经网络的摄像机在线标定方法,解决复杂建筑环境下的视觉系统参数标定问题。最后,研制幕墙安装机器人样机,并在模拟工况和实际工程上对系统进行实验验证。实验结果证明,幕墙安装机器人系统理论依据充分,串并联混合六自由度结构设计合理,能够完成建筑幕墙的自动化安装,提高大型板材安装的自动化水平。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-11 第一章 绪论 11-23 1.1 课题研究背景 11-15 1.1.1 行业背景 11-13 1.1.2 行业需求分析 13-15 1.2 幕墙安装建筑机器人发展现状 15-20 1.3 幕墙安装机器人关键技术 20-21 1.4 本课题研究的意义 21 1.5 课题的主要内容 21-23 第二章 幕墙安装施工工艺与机器人系统 23-47 2.1 引言 23 2.2 幕墙安装施工工艺 23-29 2.2.1 建筑幕墙分类 24 2.2.2 传统幕墙安装工艺 24-28 2.2.2.1 干挂石材幕墙 25-26 2.2.2.2 玻璃幕墙 26-27 2.2.2.3 金属板幕墙 27-28 2.2.3 传统幕墙安装施工流程 28-29 2.2.4 施工工艺难点分析 29 2.3 机器人施工工艺 29-32 2.3.1 自动化工艺 29-31 2.3.2 机器人安装动作流程 31-32 2.4 机器人系统总体方案构建 32-36 2.4.1 人机系统 32-33 2.4.2 机械系统设计要求 33-34 2.4.3 系统总体方案 34-35 2.4.4 移动本体 35-36 2.5 安装机器人系统设计 36-45 2.5.1 总体结构 36-39 2.5.2 并联平台机构 39-41 2.5.3 三自由度移动机构 41-43 2.5.4 幕墙吸附机构 43-45 2.5.5 串并联混合机器人整体结构模型 45 2.6 本章小结 45-47 第三章 安装机器人运动学分析与研究 47-65 3.1 引言 47 3.2 位姿检测 47-48 3.2.1 姿态传感检测 47-48 3.2.2 位置传感检测 48 3.3 安装机器人运动学分析 48-61 3.3.1 刚体空间描述 49-50 3.3.2 机构建模 50-51 3.3.3 求解运动学逆解 51-54 3.3.4 方向余弦矩阵求解 54-58 3.3.5 并联平台位置反解仿真验证 58-60 3.3.6 位置求解 60-61 3.4 奇异位形与工作空间 61-64 3.4.1 奇异位形分析 61-62 3.4.2 并联机构工作空间 62-64 3.5 本章小结 64-65 第四章 机器人系统振动及其抑制 65-87 4.1 引言 65 4.2 系统振动分析 65-77 4.2.1 机器人振动特性分析 65-68 4.2.1.1 平台提升机构 65-66 4.2.1.2 振动因素分析 66-68 4.2.2 提升机构振动模态分析 68-73 4.2.2.1 模态分析 68-69 4.2.2.2 提升门架模态分析 69-73 4.2.3 提升平台机构建模 73-76 4.2.4 系统固有特性参数求解 76-77 4.3 抑振方法研究 77-83 4.3.1 振动抑制的研究现状 77-79 4.3.2 能量吸收抑制 79-80 4.3.3 过阻尼抑制模型 80-81 4.3.4 阻尼值确定 81-82 4.3.5 扶墙机构 82-83 4.4 仿真与实验 83-85 4.4.1 抑振系统仿真 83-84 4.4.2 抑振实验 84-85 4.5 本章小结 85-87 第五章 复杂建筑环境幕墙定位方法研究 87-113 5.1 引言 87 5.2 幕墙传感定位系统 87-100 5.2.1 检测环境分析 87-90 5.2.1.1 光照条件 87-89 5.2.1.2 纹理特性 89-90 5.2.1.3 幕墙尺寸 90 5.2.2 结构光视觉原理 90-91 5.2.3 视觉系统数学建模 91-94 5.2.4 结构光位置检测模型建立 94-98 5.2.5 系统硬件设计 98-100 5.3 结构光视觉检测 100-105 5.3.1 图像的滤波 100-102 5.3.2 结构光线条提取 102-104 5.3.3 距离检测 104-105 5.4 结构光视觉系统标定 105-109 5.4.1 摄像机标定方法概述 105-106 5.4.2 线结构光视觉传感器结构参数的标定 106-107 5.4.3 在线神经网络标定方法 107-109 5.4.3.1 参数标定 107-108 5.4.3.2 参数修正 108-109 5.5 标定实验 109-111 5.6 本章小结 111-113 第六章 系统集成与工程实验 113-129 6.1 引言 113 6.2 系统集成与样机研制 113-118 6.2.1 机械系统 113-114 6.2.2 控制系统硬件 114 6.2.3 在线示教控制 114-116 6.2.4 应用控制软件 116-118 6.3 安装机器人定位精度测试 118-121 6.3.1 定位精度测量 118-120 6.3.2 定位误差分析 120-121 6.4 板材安装实验 121-127 6.4.1 模拟安装实验 121-124 6.4.2 施工现场板材安装实验 124-127 6.5 本章小结 127-129 第7章 结论与展望 129-131 7.1 结论 129-130 7.2 工作展望 130-131 参考文献 131-137 攻读学位期间所取得的相关科研成果 137-139 致谢 139
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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