串联式气动机械手建模及其控制的研究

摘要

随着工业的发展，机器人技术得到了广泛的应用，给生产带来很大方便和效益。涂胶机器人主要用在涂胶生产线上，由于胶水的易燃性，通常采用的液压驱动和伺服电机驱动方式，需做好防爆设计，这势必会增加生产成本，而且液压系统油液的泄露很容易造成污染。而气压传动系统，具有防火、防爆等特点，而且成本低，结构简单，无污染，已广泛应用于工业自动化的各个领域。因此将气动伺服技术应用于涂胶机器人具有重要意义。
　　本文采用机理建模的方法，建立了气动机械手各关节控制系统的线性化数学模型，并对系统的一些基本特性进行分析。然后在充分考虑了阀口流动的非线性、气缸两腔的热力学特性以及气缸摩擦力特性的基础上，建立了气动系统的非线性数学模型。
　　借助ADAMS软件建立了气动机械手的运动模型，对机械手进行了轨迹规划，得到其在各种末端轨迹下关节的转角位移，并进行了运动学和动力学的分析。采用状态反馈极点配置控制策略设计了控制器，结合实际系统选取了极点，求取了状态反馈系数。在Simulink中搭建了机械手气动系统与控制器的仿真模型，通过MATLAB和ADAMS软件的接口与运动模型进行联合，完成系统整体仿真模型的建立。对单关节和末端轨迹控制进行联合仿真。对不分段控制器和根据误差大小分段的控制器进行了对比研究，得出误差分段控制器具有较好控制性能。
　　采用分段的状态反馈控制器，对机械手单关节控制及末端轨迹控制进行了实验研究。对单关节进行方波响应实验，结果表明单关节系统稳态精度比较高，响应较快。以汽车风挡玻璃轮廓曲线为跟踪目标进行末端轨迹控制实验，得到了比较满意的控制效果，对误差产生的原因进行了分析。通过与仿真结果的对比证明了所建立模型的准确性。

目录

串联式气动机械手建模及其控制的研究

STUDY ON MODELLING AND CONTROLOF TANDEM TYPE PNEUMATICMANIPULATOR

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 课题的研究意义

1.2 气动伺服技术概述

1.2.1 气动伺服系统的特点

1.2.2 气动伺服系统的分类

1.2.3 气动伺服技术的发展

1.2.4 气动伺服技术所取得的成果

1.3 机器人技术研究现状

1.3.1 机器人技术概述

1.3.2 涂胶机器人研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 机械手气动控制系统模型的建立与分析

2.1 气动机械手结构原理

2.2 比例流量阀控缸系统模型的建立

2.2.1 气动元件基本模型的建立

2.2.2 系统数学模型的工作点线性化

2.3 机械手系统线性模型的建立

2.3.1 腰部关节线性模型的建立

2.3.2 大臂关节线性模型的建立

2.3.3 小臂关节线性模型的建立

2.4 对系统线性模型的分析

2.5 机械手系统非线性模型的建立

2.5.1 非线性摩擦力模型

2.5.2 气动机械手非线性模型

2.6 本章小结

第3章 机械手运动模型的建立与分析

3.1 多体系统动力学及ADAMS软件基础

3.1.1 多体系统动力学概述

3.1.2 ADAMS软件介绍

3.2 机械手运动模型的建立

3.2.1 建立几何模型

3.2.2 定义约束关系及传感器

3.2.3 检查样机模型

3.3 机械手轨迹规划研究

3.3.1 基于ADAMS的轨迹规划原理

3.3.2 机械手轨迹规划

3.4 机械手运动学及动力学分析

3.4.1 运动学及动力学仿真

3.4.2 仿真结果分析

3.5 本章小结

第4章 控制方案的确定及联合仿真研究

4.1 系统状态方程及能控性、能观测性分析

4.1.1 系统状态方程

4.1.2 系统能控性分析

4.1.3 系统能观测性分析

4.2 状态反馈控制器设计

4.2.1 状态反馈极点配置的基本理论

4.2.2 极点配置中极点选取原则

4.2.3 状态反馈系数求解

4.3 系统联合仿真模型的建立

4.3.1 基于Simulink与ADAMS的联合仿真

4.3.2 仿真模型的建立

4.4 机械手系统仿真研究

4.4.1 单关节控制仿真研究

4.4.2 末端轨迹控制仿真研究

4.5 本章小结

第5章 气动机械手控制实验研究

5.1 气动机械手实验系统构成

5.1.1 实验台硬件结构

5.1.2 计算机测控系统

5.1.3 实验系统控制程序

5.2 单关节控制实验研究

5.3 末端轨迹控制实验研究

5.3.1 末端轨迹控制实验

5.3.2 实验结果分析

5.4 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

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢