高空智能幕墙安装机器人人机协同控制系统研究

摘要

进入21世纪以来，随着建筑施工技术的不断提升和人们对审美要求的不断提高，大型建筑幕墙开始逐步在大型建筑尤其是地方标志性建筑物中占据了主导地位，越来越受到人们的青睐，大量的幕墙安装工程为我国建筑业带来了新的发展契机。
　　由于我国建筑业的整体智能化施工水平较低，高空幕墙的安装大多依赖人工，不仅劳动强度大、施工效率低，而且危险性高，易出现高空坠落伤亡等各类安全事故。在国家“十二五”科技支撑计划项目（项目编号：2012BAF07B00）支持下，针对上述问题，在原有智能化幕墙安装机器人系统的基础上，引入基于阻抗控制的人机协同技术，开发适合高空幕墙安装作业的机器人控制系统。
　　通过对国内外建筑幕墙安装施工现状的研究，以及深入工程实地调研，得到了室外高空作业相对于一般建筑施工的特点。结合高空幕墙板材的大尺寸、大重量等要素，总结限制我国高层建筑幕墙实现自动化安装的技术难点，并从中提炼出本课题研究的要点。结合本课题组其他同学研发并制作出来的六自由度高空幕墙安装机器人，对其进行运动学分析，建立运动学方程，求出了其运动学正解和逆解，应用蒙特卡洛方法分析了机器人的工作空间，并对机器人进行了轨迹规划。
　　论文着重对控制系统进行了研究和探讨，使用了一种基于阻抗控制的人机协同安装策略。利用两个六维力传感器分别采集操作力和幕墙与环境的接触力，使机器人系统的负载力、人工操作力能与环境接触力有机地匹配起来，提高系统的可靠性和灵活性。为了克服扶手和末端执行器自重对传感器的影响，还研究了力传感器姿态变化时的重力补偿算法，推导出了作用在传感器上的任意力变换到固定坐标系的公式。
　　论文最后在高空智能幕墙安装机器人上对控制系统进行实验，主要包括人机协同控制时的随动性实验及仿真和工地环境下的抗干扰性实验，验证了将阻抗控制用于幕墙人机协作安装的可行性与应用价值。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 课题的来源、目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 课题主要研究内容

第二章 高空智能幕墙安装机器人系统组成

2.1 引言

2.2 现有的幕墙安装工艺分析

2.3 幕墙安装机器人系统组成

2.4 机器人化幕墙安装工艺规划

2.5 小结

第三章 智能幕墙安装机器人运动学分析

3.1 引言

3.2 幕墙安装机器人运动学分析

3.3 幕墙安装机器人工作空间分析

3.4 幕墙安装机器人轨迹规划

3.5 小结

第四章 幕墙安装机器人人机协同控制系统研究

4.1 引言

4.2 阻抗控制策略的实现

4.3 幕墙安装机器人阻抗控制算法

4.4 力传感系统的使用与标定

4.5 小结

第五章 幕墙安装机器人控制系统实验

5.1 引言

5.2 实验系统

5.3 幕墙安装机器人实验

5.4 控制系统仿真

5.5 小结

第六章 结论与展望

参考文献

攻读学位期间取得的相关科研成果

致谢