基于被动柔顺控制的机器人抛磨方法研究

摘要

近年来，随着机器人技术的迅猛发展与制造业的转型升级，机器人越来越多地被应用于工业领域。由于机器人具有较大的刚性，定位精度较低，在进行抛磨加工这类接触式作业时，通过传统的位置控制已经无法满足作业要求，需要给抛磨机器人增加柔顺控制，并对抛磨接触力进行检测与控制。目前，实现接触力控制的方式主要有主动力控制和被动力控制两种。主动力控制方法要求机器人控制器同时实现力和位置的控制，存在力/位耦合，因而实现较为复杂。相比较而言，被动力控制引入独立于机器人的柔顺装置，将力控制从机器人控制器分离出来，通过柔顺装置实现，比主动力控制更加简单易行，因此在工业应用场合有着更广泛的应用前景。
　　本文根据被动柔顺装置的结构，对其主要执行元件进行分析，通过伺服阀流量方程、气缸质量流量连续性方程及系统的力平衡方程，建立了输入控制量与输出力之间的理论模型，并通过实验测定法对装置模型参数进行辨识，为后续的力控制算法研究奠定了基础。根据柔顺装置的控制原理，对伺服阀控制量、反馈量和气缸上腔气压以及接触力，反馈力之间的关系进行了实验标定，从而实现了对气缸气压的控制及装置输出力的控制。
　　为了实现曲面工件的柔性抛磨，结合柔顺装置的结构与模型，建立了抛磨机器人的联合运动学模型，然后对其进行了联合逆运动学求解。建立了曲面模型，提出了基于误差阈值的路径点规划方法以及基于抛磨工具与工件法向接触并沿主曲率方向的最大抛磨姿态规划方法。对获得的抛磨点位姿进行机器人的运动轨迹规划仿真，得到一种角加速度连续变化的运动方式，使加工轨迹的实现更加平稳。
　　对柔顺装置的恒力控制方法及机器人抛磨系统的力/位控制策略进行了研究。针对工业上应用广泛的传统PID控制方法存在的不足，研究了多种改进PID控制方法。对各种控制方法进行了对比分析，并通过仿真分析了各控制参数对控制性能的影响。在此基础上，对机器人抛磨系统提出了一种基于柔顺装置的被动柔顺位移变化量的位姿补偿控制策略，并通过系统仿真验证了该策略是可行的。
　　针对以上控制算法及仿真结果，搭建机器人柔性抛磨平台进行实验验证。结合路径规划工艺，通过离线编程生成机器人运行程序，对各种力控制方法进行实验验证与分析对比，实验证明，模糊控制和PID控制并行的控制方法不但结合了模糊控制和PID控制的优点，使系统同时具有较好的动态性能和静态特性，并且在控制实现上更加简单易行。对抛磨工艺优化进行了补充研究。在最终的叶片抛磨实验中，验证了文中研究的柔顺装置的力控制算法可以实现抛磨过程中的恒力控制；路径点位置及姿态规划算法使得叶片表面打磨更均匀；结合抛磨工艺及基于柔顺装置的机器人抛磨力/位控制策略可以实现叶片的机器人抛磨加工并获得较好的表面粗糙度，从而证明了本文研究的基于被动柔顺控制的机器人抛磨方法是切实可行的。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 机器人进行抛磨加工的关键问题

1.4 本文主要研究内容

第2章 柔顺装置的建模与辨识

2.1 引言

2.2 基于柔顺装置的机器人抛磨系统

2.3 柔顺装置的设计

2.4 柔顺装置理论建模

2.5 柔顺装置模型参数辨识

2.6 柔顺装置的标定与控制

2.7 本章小结

第3章 基于柔顺装置的抛磨机器人运动学与轨迹规划研究

3.1 引言

3.2 基于柔顺装置的抛磨机器人运动学分析

3.3 抛磨坐标变换

3.4 抛磨机器人轨迹规划

3.5 抛磨轨迹规划仿真

3.6 本章小结

第4章 基于柔顺装置的抛磨机器人力/位控制方法研究

4.1 引言

4.2 柔顺装置接触力的非线性PD控制

4.3 柔顺装置接触力的模糊控制

4.4 柔顺装置接触力的模糊PID控制

4.5 基于柔顺装置的抛磨机器人力/位控制

4.6 本章小结

第5章 基于被动柔顺技术的机器人抛磨实验研究

5.1 引言

5.2 基于柔顺装置的机器人抛磨离线编程实现

5.3 接触力的控制实验

5.4 抛磨工艺优化

5.5 基于柔顺装置的叶片抛磨实验

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结与创新

6.2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文及科研成果

公开发表的论文

申请的专利

致谢