遺傳算法的輪式管道機(jī)器人的參數(shù)優(yōu)化

討論了管道機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型,并且對(duì)垂直彎管和分支管道的通過性做了分析。通過建立機(jī)器人的幾何方程,使得機(jī)器人可能通過各種彎管。其結(jié)果可對(duì)機(jī)器人的動(dòng)靜態(tài)特性研究提供一定的參考。

針對(duì)帶膛線身管這一特殊的測量對(duì)象,研制了一種能自動(dòng)測量火炮膛線的新型管道機(jī)器人.分析了該機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成及工作原理,研究了其運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)特性.實(shí)驗(yàn)證明,該機(jī)器人測量精度達(dá)到0.002mm,多次測量的重復(fù)性誤差小于0.002mm,并且可靠性高.

介紹了基于單向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的伸縮式管道機(jī)器人工作原理,對(duì)管道機(jī)器人整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行合理簡化,得到等效系統(tǒng)模型。根據(jù)等效模型,分析直流伺服電機(jī)、滾珠絲杠,以及單向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為。為了研究系統(tǒng)的輸入電壓信號(hào)和輸出的運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系,建立了機(jī)器人系統(tǒng)的完整框圖模型。利用matlab對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行仿真,分析不同輸入信號(hào)下系統(tǒng)的響應(yīng)特性,為管道機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

第41卷2013年第4期 本 欄 目 編 輯　 陸 秋 云 通　 用 124 可變徑管道機(jī)器人系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)與研究 武　燕1，王才東2，王新杰2，牛志軍2 1 河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系　河南鄭州　451191 2 鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院　河南鄭州　450002 摘要：筆者在分析管道機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，針對(duì)管道機(jī)器人對(duì)不同管徑需求，提出了一種 雙履帶式可變徑管道機(jī)器人的總體方案。設(shè)計(jì)了機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置、直徑調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件，并設(shè) 計(jì)了機(jī)器人的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)上采用了上、下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)，通過手動(dòng)和自動(dòng)2種控制模式， 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人無級(jí)調(diào)速、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和圖像信息采集等功能。研究結(jié)果為可變徑管道機(jī)器人的實(shí) 用化開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人；變管徑；穿纜；控制系統(tǒng) 中圖分類號(hào)：tp242　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a　　　文章編號(hào)：1001-3954

為提高伸縮式管道機(jī)器人的負(fù)載能力,研制一種基于凸輪自鎖原理的伸縮式管道機(jī)器人,牽引力不受限于某一固定摩擦力,可隨外載荷的增大而增大。應(yīng)用分析力學(xué)原理導(dǎo)出單向鎖止機(jī)構(gòu)各參數(shù)應(yīng)滿足的關(guān)系式,并給出可適應(yīng)管徑變化的凸輪輪廓設(shè)計(jì)方法,計(jì)算出移動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間,提出一套系統(tǒng)的管道機(jī)器人設(shè)計(jì)理論方法。利用提出的設(shè)計(jì)方法研制試驗(yàn)樣機(jī),并在管道中成功進(jìn)行一系列試驗(yàn)。研究成果提升了伸縮式管道機(jī)器人的負(fù)載能力與管道適應(yīng)性,完善了基于自鎖原理伸縮式管道機(jī)器人的設(shè)計(jì)理論。

管道機(jī)器人是特種機(jī)器人研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn).該文設(shè)計(jì)了管道機(jī)器人蠕動(dòng)式移動(dòng)牽引機(jī)構(gòu),采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠正反轉(zhuǎn),絲杠上絲杠螺母前移,前后兩組支撐腿臂交替支撐住管壁,從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的蠕動(dòng)式前行的驅(qū)動(dòng)方案,并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的電控部分.模擬管道中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性.

排水管道機(jī)器人通常采用模塊化設(shè)計(jì),一般分為爬行器、電纜絞盤、上位控制單元、檢測單元、輔助裝置、圖像處理軟件等模塊。本文介紹排水管道機(jī)器人各模塊現(xiàn)有技術(shù)特點(diǎn),并結(jié)合智能控制技術(shù),展望未來排水機(jī)器人發(fā)展方向。

提出了一種描述管道機(jī)器人彎道通過性的數(shù)學(xué)模型,該模型由一組組合約束構(gòu)成.通過對(duì)約束方程的分析討論,得出了規(guī)律性的結(jié)論.管道機(jī)器人在彎道處的姿態(tài)、單元體的幾何尺寸、行走輪結(jié)構(gòu)形式對(duì)其通過性都有不同程度的影響.所提出數(shù)學(xué)模型是管道機(jī)器人彎道自主行走控制策略設(shè)計(jì)和相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ).

上海交通大學(xué) 碩士學(xué)位論文 電纜管道機(jī)器人視頻監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā) 姓名：戚偉 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：電力電子與電力傳動(dòng) 指導(dǎo)教師：黃成軍;江秀臣 20080101 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 -i- 電纜管道機(jī)器人視頻監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā) 摘要 隨著城市電網(wǎng)的大規(guī)模建設(shè)，電力電纜采用自動(dòng)化敷設(shè)方法，可以 避免人工敷設(shè)帶來的效率低下、操作不便等諸多問題，改善電纜敷設(shè)質(zhì) 量，延長電纜使用壽命，保證客戶可靠用電。 本文介紹了一種新型可靠的電纜管道機(jī)器人系統(tǒng)，通過前端的攝像 監(jiān)測裝置實(shí)時(shí)監(jiān)視管道前方及管壁的圖像，不僅能在機(jī)器人穿越管道的 同時(shí)，完成敷設(shè)電纜的要求；而且能夠?qū)艿乐械耐两堅(jiān)M(jìn)行清掃， 有效地促進(jìn)電纜排管土建質(zhì)量及電纜施工中的敷設(shè)質(zhì)量，為電纜敷設(shè)提 供了有效的輔助手段。通過該儀器的使用，能夠降低電纜損傷事故、延 長電纜使用壽命，具有廣泛的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。 本文涉及的電纜管道機(jī)器人系

論文根據(jù)集中空調(diào)管道清掃的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新型的空調(diào)管道機(jī)器人,并以自行研發(fā)的集中空調(diào)管道機(jī)器人樣機(jī)為例,介紹了其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)以及由些引出來上位機(jī)與下位機(jī)的通信方式的問題。設(shè)計(jì)中采用三輪三角形布置的輪式移動(dòng)載體,選用rs-485作為通信電氣標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)控制端與pc機(jī)的通信。在操作員的遠(yuǎn)距離遙控操作下,空調(diào)管道機(jī)器人在管道內(nèi)部自動(dòng)行走,并攜有操作機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備(ccd攝像機(jī)、管道清潔掃等),進(jìn)行一系列管道清掃作業(yè)。

管道清灰機(jī)器人變徑機(jī)構(gòu)尺度影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能及驅(qū)動(dòng)性能，變徑機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化可有效解決尺寸綜合問題。提出了變徑機(jī)構(gòu)多目標(biāo)尺度綜合，以變徑機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件受力和驅(qū)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)范圍為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化模型，基于快速含有精英策略的非支配排序遺傳算法（non．dominatedsortinggeneticalgorithmii，nsga—ii）求解多目標(biāo)優(yōu)化pareto最優(yōu)解。計(jì)算結(jié)果表明：多目標(biāo)優(yōu)化后的變徑機(jī)構(gòu)在力學(xué)性能和運(yùn)動(dòng)范圍上優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不需重復(fù)計(jì)算可根據(jù)設(shè)計(jì)要求和工程經(jīng)驗(yàn)權(quán)衡選取滿足不同要求的優(yōu)化結(jié)果。

針對(duì)管道機(jī)器人在后退過程中需要借助人手動(dòng)來收線的問題,提出了一種智能化的電纜絞盤系統(tǒng),它是通過管道機(jī)器人爬行器和絞盤間電纜的恒張力控制來實(shí)現(xiàn)的。由此建立了基于模糊控制的恒張力模型,并利用matlab軟件對(duì)張力控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,結(jié)果表明該方法是可行的,基于模糊控制的恒張力系統(tǒng)在機(jī)器人系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)有價(jià)值。

針對(duì)管道機(jī)器人的工作特點(diǎn),提出了一種管道機(jī)器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用光纖傳輸視頻和數(shù)據(jù)的復(fù)合信號(hào),利用視頻光端機(jī)進(jìn)行信號(hào)的復(fù)合和分離,基于directshow框架開發(fā)視頻采集系統(tǒng),通過modbus協(xié)議完成主機(jī)與管道機(jī)器人的數(shù)據(jù)通信,從而實(shí)現(xiàn)了管道內(nèi)部視頻圖像的實(shí)時(shí)采集和管道機(jī)器人的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

提出了一種內(nèi)螺旋管道機(jī)器人(簡稱內(nèi)螺旋機(jī)器人)。設(shè)計(jì)了該機(jī)器人的結(jié)構(gòu),建立了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程,數(shù)值計(jì)算了機(jī)器人在管道內(nèi)運(yùn)行時(shí)管道內(nèi)壁所受的壓力、機(jī)器人的軸向推進(jìn)力和液體對(duì)機(jī)器人的周向阻力矩。結(jié)果表明,當(dāng)驅(qū)動(dòng)為外磁場驅(qū)動(dòng)時(shí),內(nèi)螺旋機(jī)器人軸向推進(jìn)力和周向阻力矩都會(huì)增大,但對(duì)管道壁的損傷也會(huì)增大。以機(jī)器人軸向推進(jìn)力和能效指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo),采用正交優(yōu)化方法得到一組最優(yōu)的內(nèi)螺旋槽幾何參數(shù)。根據(jù)內(nèi)螺旋機(jī)器人的工作原理,設(shè)計(jì)制造了內(nèi)螺旋驅(qū)動(dòng)樣機(jī),該樣機(jī)在充滿201甲基硅油管道中的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明了內(nèi)螺旋機(jī)器人的可行性。提出的內(nèi)螺旋機(jī)器人表面光滑,能懸浮運(yùn)行,對(duì)管壁的損傷小,可用于人體內(nèi)腔的微細(xì)管道中。

簡要綜述了國內(nèi)外排水管道清淤作業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案,分析了各自特點(diǎn)和局限性。提出了一種基于組合機(jī)構(gòu)的新型蠕動(dòng)式排水管道機(jī)器人。給出了機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)組成,以及行走機(jī)理分析,建立了其行走運(yùn)動(dòng)模型和驅(qū)動(dòng)力矩分析模型,給出了主要影響參數(shù)以及數(shù)值分析。最后,建立了機(jī)器人的虛擬樣機(jī),完成了其虛擬樣機(jī)仿真分析。綜合理論數(shù)值分析和虛擬樣機(jī)仿真分析驗(yàn)證了方案的可行性和設(shè)計(jì)理論及分析結(jié)論是正確的。該方案的排水管道清淤作業(yè)機(jī)器人具有大拖動(dòng)力、作業(yè)距離長的特點(diǎn)。

根據(jù)管道機(jī)器人管內(nèi)適應(yīng)性的要求,提出一種面向矩形管道的新型自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。分析該機(jī)構(gòu)的工作原理、力學(xué)特性,建立其數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明:該機(jī)構(gòu)提高了管內(nèi)機(jī)器人對(duì)矩形管道的適應(yīng)性,并改善了牽引能力,為機(jī)構(gòu)參數(shù)的合理選取提供了科學(xué)依據(jù)。

為了描述三軸差動(dòng)式管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元的彎管通過性,建立了驅(qū)動(dòng)單元在彎管處的運(yùn)動(dòng)方程與平衡方程,分析了其在彎管處的差速特性與力學(xué)特性。理論分析表明,三軸差動(dòng)式管道機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元在彎管處自主差速,無寄生功率產(chǎn)生,驅(qū)動(dòng)輪能夠提供足夠的拖動(dòng)力,具有良好的機(jī)械自適應(yīng)特性。建立的驅(qū)動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)方程與平衡方程為三軸差動(dòng)式管道機(jī)器人的機(jī)械自適應(yīng)理論奠定了基礎(chǔ)。

蘇州大學(xué)的5名大學(xué)生合作發(fā)明了一種微型管道機(jī)器人。其能夠深入到核電廠蒸汽發(fā)生器的管道內(nèi)，檢查管道的安全狀況，以避免核泄露等安全事故的發(fā)生。

當(dāng)有纜管道機(jī)器人的線纜長度增加時(shí),其重量大增,與管壁的摩擦力會(huì)變得很大,嚴(yán)重影響了機(jī)器人作業(yè)時(shí)的最大行走距離及可靠性。為了克服該缺點(diǎn),本文采用kq-100e電源線載波調(diào)制解調(diào)模塊,給出了載波電路圖,制定了通信協(xié)議,描述了通信流程,從而實(shí)現(xiàn)了線纜內(nèi)電源線與信號(hào)線的復(fù)用。該研究成果已應(yīng)用于中央空調(diào)風(fēng)管清潔機(jī)器人中。應(yīng)用結(jié)果表明,該通信系統(tǒng)大大減輕了線纜與管壁的摩擦力,提高了管道機(jī)器人的可靠性,增大了其作業(yè)時(shí)的最大行走距離。

以蝸輪的有色金屬齒圈體積最小為目標(biāo)函數(shù),并從設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)本身、運(yùn)動(dòng)性能、邊界條件等方面建立合理的約束條件,建立了蝸輪齒圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用matlab遺傳算法工具箱尋求全局最優(yōu)解。優(yōu)化結(jié)果表明,采用遺傳算法能夠快捷有效地對(duì)蝸桿齒輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),是對(duì)蝸桿齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種有效方法。

傳統(tǒng)的項(xiàng)目進(jìn)度一維優(yōu)化擴(kuò)展至有偏好的二維目標(biāo)（進(jìn)度、成本）優(yōu)化,同時(shí)將成本優(yōu)化目標(biāo)分解為項(xiàng)目成本大小以及資源均衡度從而構(gòu)成三維目標(biāo)優(yōu)化,將無資源約束的環(huán)境擴(kuò)展至資源約束下的復(fù)雜環(huán)境,將局部搜索優(yōu)化領(lǐng)域擴(kuò)展至全局范圍內(nèi)的優(yōu)化.在內(nèi)容上,先對(duì)項(xiàng)目的單目標(biāo)優(yōu)化管理理論進(jìn)行詳盡研究并指出其現(xiàn)實(shí)的局限性,同時(shí)提出了智能啟化式方法-遺傳算法在資源約束下項(xiàng)目管理優(yōu)化方面的優(yōu)勢.在此基礎(chǔ)上本文構(gòu)建了基于三維目標(biāo)偏好的項(xiàng)目管理優(yōu)化仿真模型,解決了項(xiàng)目管理優(yōu)化理論中最為重要的兩大問題：資源約束下的項(xiàng)目進(jìn)度優(yōu)化以及資源約束下的三維目標(biāo)（項(xiàng)目進(jìn)度、項(xiàng)目成本以及資源均衡度）的優(yōu)化問題.為了驗(yàn)證此模型對(duì)以上問題的有效性,本文應(yīng)用matlab仿真技術(shù)進(jìn)行仿真模擬并與傳統(tǒng)方法做比較,從結(jié)果可以看出遺傳算法能夠更好的解決此類問題.

公路養(yǎng)護(hù)資源分配中遺傳算法的參數(shù)優(yōu)化——為辨明公路養(yǎng)護(hù)資源優(yōu)化分配中遺傳算法參數(shù)對(duì)運(yùn)算效率和精度的影響，提出基于正交試驗(yàn)的參數(shù)優(yōu)化方法．選取種群規(guī)模與迭代次數(shù)比例、交叉形式和變異概率3個(gè)參數(shù)，利用正交設(shè)計(jì)方法進(jìn)行3因素3水平試驗(yàn)，建立主效應(yīng)和交...