基于主被动柔顺的机器人旋拧阀门作业研究

摘要

随着核电技术的高速发展，核电救灾作业也越来越受到世界各国的密切关注。旋拧阀门作为核电站基本作业任务之一，也逐渐受到广泛关注。为保护救灾人员的安全，采用机器人执行旋拧阀门任务将是最佳方式之一。本文结合机器人旋拧阀门的实际作业问题，提出了一种新的融合柔顺机构和自适应阻抗控制的主被动柔顺策略，并对该策略进行了详细的分析和研究。
　　本文分析了远程操作机器人旋拧作业的误差来源，并完成了对其的分类。建立了不同类型作业误差与机器人末端作业力/力矩的分析模型。建立了六自由度机器人的正运动学模型和雅克比矩阵，并分析了机器人末端作业力/力矩和机器人关节力矩间的映射关系。建立了机器人旋拧作业的仿真模型，通过仿真分析验证了上述计算分析的正确性。
　　分析了机器人旋拧阀门作业的主要问题，采用被动柔顺机构解决旋拧侧向力/力矩问题，采用自适应阻抗控制解决阀门手轮轴向位置的跟踪问题。设计了一款基于虎克铰机构的被动柔顺末端执行器，并完成了对其柔顺能力的分析。完成了机器人旋拧阀门的轨迹规划设计，为后续研究奠定基础。在 ADAMS中搭建了旋拧阀门仿真平台，并完成了相关的旋拧阀门仿真实验，证明了被动柔顺末端执行器的有效性。建立了机器人旋拧阀门的实验平台，完成了基于被动柔顺末端执行器的旋拧阀门实验。
　　针对阀门手轮旋拧过程中产生的轴向位移问题，本文采用基于位置的阻抗控制对阀门手轮位置进行跟踪的方法，并分析了阻抗控制的恒力跟踪稳态误差，完成了阻抗控制系统性能的仿真分析。针对阻抗控制恒力跟踪效果的不足，本文进一步采用自适应阻抗控制，基于Lyapunov稳定理论设计了自适应控制律，并搭建了自适应阻抗控制系统，完成了控制系统的性能分析。建立了 MATLAB/ADAMS联合仿真平台，完成了相关的联合仿真实验。基于已搭建的机器人旋拧阀门实验平台，完成了基于主被动柔顺的机器人旋拧阀门实验。

目录

第1章 绪论

1.1课题研究背景

1.2国内外研究现状

1.3救灾环境中机器人旋拧阀门作业分析

1.4本文主要研究内容

第2章 机器人旋拧作业力学分析

2.1引言

2.2机器人旋拧作业误差来源

2.3机器人旋拧作业末端接触力/力矩分析

2.4末端作用力/力矩向关节力矩的映射

2.5机器人旋拧作业关节力矩分析

2.6小结

第3章 基于被动柔顺机构的旋拧阀门作业

3.1引言

3.2旋拧阀门作业简介及柔顺末端执行器设计

3.3面向旋拧阀门作业的机器人轨迹规划

3.4基于被动柔顺的旋拧阀门仿真及实验

3.5小结

第4章 基于自适应阻抗控制的旋拧阀门作业

4.1引言

4.2基于位置阻抗控制的位置跟踪策略

4.3基于自适应阻抗控制的位置跟踪策略

4.4基于主被动柔顺的机器人旋拧阀门仿真及实验

4.5小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及其他成果

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致谢