水下焊接机器人设计及其轨迹规划研究

摘要

核电是当今世界能源供应中不可缺少的部分，核反应堆的建造一直秉承高标准，但是随着时间推移，核反应堆的一些设施会损耗，甚至出现破损。放射性物质一旦出现泄漏，检修人员将直接处于放射性环境中，安全风险极高。因此，一直以来人们致力于研究利用机器人技术进行核设施的检测和维修。在一些特定的单一任务结构检测方面已经取得重要进展。对蒸汽发生器、反应堆壳体等进行检测维修的机器人已经很成熟。
　　本文分析了国内外的核电机器人及水下机器人的现状，研究了它们的结构、运动参数及优缺点。核电检测机器人针对具体的工作环境设计，很难被移作其他使用；水下机器人驱动方式主要为液压驱动，以主从式为主，精度取决于操作者，其主要功能是观测、抓取，不能用于焊接。核救援机器人属于移动式机器人，主要功能是观察、测量等，大多无法满足在水下工作要求。因此针对水下焊接的特点，设计一种针对核反应堆乏水池的水下焊接机器人具有实际意义。
　　基于实际工况设计了六自由度水下焊接机器人本体结构，每个自由度均由独立旋转关节构成。为防止液压驱动对水体造成污染，关节采用电机驱动，通过动密封实现关节防水。关节采用模块化设计，各关节独立密封，提高了机器人的可靠性。建立了连杆坐标系，采用D-H法对水下焊接机器人进行了正运动学的分析，采用几何法和反变换法完成了机器人的逆运动学分析，为水下焊接机器人后续的动力学和轨迹规划奠定了基础。
　　采用拉格朗日法建立了水下焊接机器人的动力学方程，并对方程进行了推导和化简。对机器人的水动力学进行了研究，证明了切片法和Morison方程计算水动力学是等效的，得到了水下焊接机器人水动力学方程，并对其进行了推导得到了解析解，在此基础上使用蒙特卡洛法完成水下焊接机器人动力学方程计算，为电机和减速器的选型以及水下焊接机器人的控制器设计提供了依据。
　　对水下焊接机器人的控制进行了研究。通过对水池环境进行分析，得出控制系统不仅要满足位置精度要求，而且要有力控制功能以避免环境突变引起挤压、碰撞损害水池和设备。论文采用了基于位置的阻抗控制方案，通过力传感器测量焊枪与水池间接触力，根据测得的力调整末端点的轨迹，从而防止接触力过大或者接触不到焊接位置而导致焊接失效。由水下焊接机器人动力学方程得到了控制方程，并对其进行了化简，完成了控制器设计。
　　对水下焊接机器人的轨迹规划进行了研究。由变换方程可知对腕部轨迹规划可以代替对焊枪轨迹规划。分析了焊接的约束条件为速度和位置，得出了可以采用三次样条法进行关节坐标空间轨迹规划。讨论了笛卡尔空间轨迹规划的优缺点，最后结合关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划的优点在Taylor的BDJP法的基础上改进了BDJP方法。Taylor的BDJP使用路径点的中点误差进行误差判断，虽然计算量小，但是会导致轨迹规划误差计算错误。改进的BDJP法采用关节空间轨迹规划的最大误差进行误差控制，其计算量比原始BDJP法要大，但其轨迹规划精度更高。
　　为了证明计算及分析的正确性，利用dSPACE控制器搭建两自由度实验平台，进行了单关节伺服、轨迹跟踪以及阻抗控制3个实验，证明了控制算法的有效性。

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第1章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 当前研究面临的问题

1.4 课题来源及主要研究内容

第2章 水下焊接机器人的结构设计及运动学分析

2.1 水下焊接机器人总体结构设计

2.2 水下焊接机器人运动学分析

2.3 逆运动学方程求解

2.4 本章小结

第3章 水下焊接机器人的动力学分析

3.1 水下焊接机器人动力学方程建立

3.2 水下焊接机器人的水动力学分析

3.3 本章小结

第4章 水下焊接机器人的控制系统设计

4.1 水下焊接机器人控制系统的总体方案设计

4.2 控制系统的硬件设计

4.3 水下焊接机器人位置控制

4.4 水下焊接机器人阻抗控制

4.5 本章小结

第5章 水下焊接机器人的轨迹规划

5.1变换方程

5.2 关节空间的轨迹规划

5.3 笛卡尔空间轨迹规划

5.4 采用改进的BDJP法进行路径控制

5.5 用MATLAB进行轨迹规划计算

5.6 本章小结

第6章 水下焊接机器人实验研究

6.1 实验平台介绍

6.2 各部分功能的实现

6.3 单关节伺服控制实验

6.4 轨迹跟踪及阻抗控制实验

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录