随着城市智能化进展步伐的不断加快,其中窨井是城市供水、污水排放、光纤网络的重要联结渠道,而在城市建设中窨井的破损率也愈来愈高,更换过程亦较为繁琐,针对大量的城市窨井盖更换需求及繁琐且低效率的人工更换方式,设计研究一种效率较高、自动化施工、响应灵敏的窨井盖更换机器人。本文对窨井盖更换机器人的研究主要从以下几方面进行:1.窨井盖更换机器人的结构设计及静力学仿真分析根据窨井更换施工具体方案及常见窨井尺寸,结合路面铣削技术及液压驱动技术在工程应用上的优良性与稳定性,设计窨井盖更换机器人的整体结构,并设计了满足系统功能要求的各部件,使用ANSYS仿真软件对机器人进行强度分析,研究所设计的机器人的结构在最大负载工况下是否满足强度要求。2.窨井盖更换机器人运动学分析、动力学分析及实验分析通过窨井盖更换机器人的虚拟样机模型及运动学仿真,基于D-H坐标系,建立窨井盖更换机器人的运动学模型,分别对正运动学和逆运动学进行求解,得到机械臂各关节角的转动范围,基于Matlab RTB建立机器人仿真模型,探究其工作空间范围,仿真结果表明,机器人的工作空间范围满足系统活动范围要求。通过窨井盖更换机器人的力学性能研究,明确其液压势能对关节力矩的影响,通过力矩平衡原理和拉格朗日方程,建立驱动力和关节力矩的关系,从而建立了动力学模型,运用Matlab对窨井盖更换机器人铣削过程三组液压缸驱动力的变化曲线进行了仿真分析,结果表明符合设计实际工作情况。构建虚拟样机模型,使用运动仿真软件Siemens NX进行运动学与动力学仿真分析及验证,给定指定条件之后,获得窨井盖更换机器人的最优运动轨迹及各铰接点的受力情况,试验结果表明符合工作范围要求及强度要求。3.窨井盖更换机器人控制系统设计根据机器人的控制要求,设计窨井盖更换机器人工作装置的液压控制系统。建立了液压系统的数学模型,并采用PID控制器调整系统控制性能。仿真结果表明控制系统的响应时间达到了系统要求。