一种盾构换刀机器人定位精度的可靠性分析方法

本发明涉及可靠性分析，特别是指一种盾构换刀机器人定位精度的可靠性分析方法。

背景技术：

1、盾构机，作为盾构施工中的核心设备，其重要性不言而喻。在盾构机的掘进过程中，它所面临的地质环境千变万化，难以预测。这种不确定性对施工中的刀盘刀具提出了极高的要求，刀具在掘进过程中因地质的复杂性而磨损严重，因此在一次施工中，往往需要进行多次的换刀作业。

2、传统的换刀作业通常由人工完成，但这种方式存在诸多弊端。首先，人工换刀效率低下，耗费大量时间，直接影响了整个工程的进度。其次，在狭窄、复杂的盾构机内部进行换刀作业，操作人员的人身安全难以得到充分保障。为了解决这些问题，科研人员和技术人员提出了采用换刀机器人代替人工进行自主换刀作业的方案。

3、换刀机器人的引入，无疑为盾构施工带来了革命性的变化。其高精度的定位能力可以大大提升换刀过程的施工效率，显著减少换刀所需的时间，进而提高了整体工程的效率。然而，随着机器人技术的深入应用，也暴露出了一些挑战和问题。

4、为了满足换刀机器人的装配关系和实现运动副的旋转功能，机器人关节之间必然存在一定的间隙。这些间隙，加上重要关节因负载和自身重量而产生的柔性变形，都会对机器人的末端运动精度产生影响。更为复杂的是，机器人在运行过程中，关节副之间的接触和冲击磨损会使这些间隙进一步变形，从而导致机器人末端的位姿精度进一步恶化。

5、因此，在采用机器人进行换刀作业时，其定位精度的可靠性成为了我们必须面对和解决的问题。为了提高盾构换刀机器人的定位精度，科研人员和技术人员需要不断探索新的方法和技术，如优化机器人的结构设计、提高关节的制造精度、采用先进的控制系统等，以确保机器人在复杂多变的地质环境中能够稳定、准确地完成换刀任务。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的技术问题，本发明提供了一种盾构换刀机器人定位精度的可靠性分析方法。

2、本发明实施例提供的技术方案如下：

3、第一方面：

4、本发明实施例提供的一种盾构换刀机器人定位精度的可靠性分析方法，包括：

5、s1、建立换刀机器人运动学模型，步骤包括明确机器人dh参数、建立机器人理论模型和实际模型，最后求得机器人误差模型；

6、s2、构建运动学误差代理模型，步骤包括实验设计、建立代理模型和优化模型参数；

7、s3、对参数误差做灵敏度分析，步骤包括整理模型误差随机变量、由联合概率密度得到失效概率、求取失效概率的均差和方差、求解灵敏度因子、最后得到误差参数的灵敏度。

8、所述s1具体包括：

9、s11、换刀机器人的末端位姿包括连杆长度、连杆偏置、连杆扭角和轴的扭角，换刀机器人的连杆均视为刚体，并对每个连杆分别建立坐标系，通过齐次变换得到刚体描述矩阵，连乘所有所述刚体描述矩阵，得到换刀机器人的末端位姿矩阵t，

10、t＝f(a，d，α，θ)

11、上述式中，a表示连杆长度、d表示连杆偏置、α表示连杆扭角和θ表示轴的扭角；

12、s12、考虑装配误差和加工误差后，换刀机器人的实际位姿为，

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分别表示连杆长度误差、连杆偏置误差、连杆扭角误差和轴的扭角误差；

16、s13、当δa、δd、δα和δθ均较小时，简化为线性方程，

17、

18、上述式中，和泛指换刀机器人中各个轴的dh参数。

19、所述s3具体包括：

20、s14、将换刀机器人各个轴的误差参数δa、δd、δα和δθ整理为一个随机参数变量x＝[x1，x2，…，xn]t；

21、s22、将各变量的联合概率密度定义为fx(x)，各个误差参数之间视为相互独立，则联合概率密度分布为各个随机参数变量共同得到下式，

22、

23、同时换刀机器人定位精度失效概率为，

24、pf＝∫fx(x)dx

25、上述式中，f为换刀机器人发生定位精度失效的区域；

26、s23、对于换刀机器人误差变量灵敏度求解的过程，实际上是对换刀机器人定位精度失效概率求取均值和方差偏导的过程，

27、

28、s24、由大数定律知，对换刀机器人定位精度灵敏度失效的计算可表示为，

29、

30、上述式中，为相互独立的随机变量，包括均值和标准差，

31、

32、

33、将对均差和标准差求偏导结合灵敏度失效计算公式得到失效概率对随机变量的均值和标准差的影响程度，

34、

35、

36、s25、在得到每个误差变量的均值和标准差影响程度后，对和取绝对值得到，

37、

38、进而求得随机参数灵敏度因子，

39、

40、通过对每个换刀机器人定位精度可靠性在各个关节轴上的灵敏度分析，得出换刀机器人对各关节轴上各误差的敏感程度，通过比较关节处的移动误差和旋量误差，分析关节轴误差的敏感程度，对不同构型的换刀机器人，构型的不同使得换刀机器人对误差参数的敏感程度也不同，通过对不同构型的换刀机器人进行分析，在设计初期避免误差，从而提高换刀机器人定位精度的可靠性。

41、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

42、(1)在本发明中，通过提高盾构换刀机器人的定位精度，可以显著减少换刀所需的时间，进而提升施工效率。同时，机器人换刀减少了人工操作的依赖，降低了操作人员因长时间工作和高强度劳动而带来的安全风险，保证了施工过程的安全性；

43、(2)在本发明中，本发明提供的定位精度可靠性分析方法，能够准确识别影响机器人定位精度的主要误差来源。这为设计师在机器人设计与制造阶段提供了重要的参考依据，有助于他们在设计阶段就避免或减小这些误差，从而制造出更加精准、可靠的换刀机器人。

技术特征：

1.一种盾构换刀机器人定位精度的可靠性分析方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种盾构换刀机器人定位精度的可靠性分析方法，其特征在于，所述s1具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种盾构换刀机器人定位精度的可靠性分析方法，其特征在于，所述s3具体包括：

技术总结本发明提出了一种针对盾构换刀机器人定位精度的可靠性分析方法，通过构建运动学模型和误差代理模型，实现了对误差参数的灵敏度分析，从而准确评估了定位精度的失效概率。综合考虑了装配和加工误差，将误差参数作为随机变量处理，提高了分析的准确性和效率。利用随机变量的均值和标准差进行灵敏度计算，得出了定位精度灵敏度的失效计算方法，为优化设计提供了重要依据。本发明不仅有助于减少换刀时间，提升施工效率，降低安全风险，还能为设计师提供精准、可靠的换刀机器人制造方案。该方法具有通用性和灵活性，可广泛应用于盾构换刀机器人的性能提升和故障预防。本发明的实施，将推动盾构施工技术的发展，为工业自动化和高效生产提供有力支持。技术研发人员：王涛涌,邓斌,王凯峰,崔望朔,吴委员,孙清超,朱瑞受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9