面向船体外表面喷涂的大尺度移动机械臂定位及运动控制研究

摘要

表面喷涂是机械类、电器类外壳等产品制造工艺中表面防腐防锈蚀处理的重要一环。相对于体积较小的产品外表面喷涂而言，面向大型复杂表面的喷涂技术在尺度以及自动化程度上仍然面临巨大挑战，尤其在大型船舶表面喷涂领域，当前仍主要依赖人工完成，不仅效率低、喷涂质量不稳定，并且工况环境恶劣，对工人伤害大，因此开展面向大型船体分段自动喷涂技术的研究对提高喷涂效率与质量具有重要意义。本文结合国家科技支撑项目课题“超大船体分段自动喷涂成套设备研制”，针对一款面向大型船体分段的新型自动化移动喷涂机器人，开展大型船体分段定位技术，大尺度移动机械臂定位、运动学以及控制方法相关关键技术研究。
　　首先，开展大型船舶分段定位技术研究。以表面特征点的测绘为基础，结合坐标变换，采用全站仪用于确定船体、移动机械臂及信标之间相对位置关系，基于后方交会法原理，建立了全站仪测量系统测量误差分析数学模型，分析了全站仪建站位置因素对测量误差的影响规律，在此基础上确定了建站位置关系，并进行了实验验证。
　　其次，进行移动机械臂实时相对定位技术研究。针对大型船体分段表面喷涂环境，提出了一种改进的三边信标绝对定位方法，采用SICK激光雷达实时扫描实现信标的数据分割、信标外轮廓的识别，引入定位权值实现的信标选取和数据处理，建立了误差分析模型用于分析误差产生原因及降低方法，并通过实验对移动机械臂定位方法进行了验证。
　　然后，进行大尺度移动机械臂运动学分析。以提高喷涂效率为目标，制定了移动机械臂喷涂策略以及喷涂路径规划；利用激光跟踪仪标定机械臂结构参数，并基于D-H法进行运动学分析；针对4轮移动平台特点，制定了运动及控制策略。
　　最后，针对工程液压机械臂无反馈、模拟量控制的问题，进行液压驱动移动机械臂数字化控制系统设计。通过在各个运动关节增加了反馈检测环节，解算运动控制量与关节状态的关系，建立数字控制接口，实现了大尺度移动机械臂数字化反馈控制，最后完成搭载6自由度喷涂机械臂进行模拟船体喷涂的实验。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2船舶喷涂移动机器人相关技术研究现状

1.3主要研究内容

第2章 分段船体绝对定位算法研究

2.1引言

2.2基于全站仪的绝对定位方法

2.3全站仪测量原理及误差分析

2.4全站仪定位误差实验

2.5结论

第3章 基于信标检测的移动机械臂相对定位方法研究

3.1引言

3.2移动机械臂的激光定位算法研究

3.3信标的检测

3.4移动机械臂定位实验

3.5本章小结

第4章 移动机械臂的喷涂规划及运动学分析

4.1引言

4.2大尺度移动机械臂的喷涂规划策略研究

4.3移动机械臂运动分析及运动规划

4.4本章小结

第5章 移动机械臂的控制系统设计及喷涂实验

5.1引言

5.2数字化控制系统设计

5.3移动机械臂控制程序编写

5.4联合喷涂实验

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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