崎岖地面环境下气动多自由度机械手的末端位置控制研究

摘要

随着工业4.0时代的到来，越来越多的机器人出现在各种领域，如有：焊接机器人，搬运机器人，喷涂机器人，采摘机器人和服务机器人等。其中不乏需要在特殊工况下工作的应用型机器人，需要在满足特定的工作任务的同时，兼顾防爆、防腐蚀等功能。同时，由于测控技术的迅速发展，气动比例位置控制系统的控制精度得到进一步提高。另一方面，气动系统有良好的柔顺性，兼具有干净、轻巧、安全和成本相对低廉的优点，使其适用于在一些特殊环境下工作。进而使得气动机械手以结构简单、无污染、高性价比等优点在农业采摘和喷涂等领域有发展空间。
　　气动系统具有较强的非线性和参数时变性，带来的低刚度和时滞性使得其在精确的位置控制中难以达到期望的效果。具体而言，系统的质量参数等无法明确，质量流量方程的数学模型具有不确定性和强非线性，压力方程也具有未知非线性。另外，摩擦力建模复杂，线性化困难，将影响气动比例位置控制系统的精度。
　　本文中设计了一种多自由度气动机械手，并搭建六自由度电动仿真平台来模拟崎岖地面环境。当气动机械手被运用在行走机械上，变化的路面环境会对机械手末端点控制带来困难。因此，对气动多自由度机械手在崎岖路面环境下的末端位置控制具有现实意义。通过搭建六自由度并联平台来模拟崎岖地面环境，设计气动多自由度机械手，提出带压力补偿的模糊控制方法，通过Simulink与AMESim的联合仿真分析，验证了带压力补偿的模糊控制算法对气动机械手控制的有效性。
　　本文开展了如下的具体研究工作：
　　首先，按照机械手的工作目标，完成了一个基于气动比例控制系统驱动的多自由度机械手的设计。通过AutoCAD软件生成二维图纸，并在 UG中完成了气动机械手的三维建模工作和初步运动学仿真。另外，搭建六自由度平台来模拟崎岖路面环境，提出具体性能参数指标，完成六自由度模拟平台的结构设计，在 UG中完成三维建模模型，并在Simulink中搭建平台的仿真模型，得到在理想加载情况下的各个缸的位移曲线。
　　其次，设计了气动比例控制系统，并根据机械手结构进行气缸驱动力分析，从而完成了气动元件的选型工作。根据气动系统的线性化假设条件，建立气动比例位置控制系统的数学模型，分析了典型阀控缸系统和基于阀口压力独立控制系统的传递函数及系统方框图。
　　再次，建立了气动多自由度机械手的运动学模型，并推导了机械手的运动学方程，对气动多自由度机械手进行了正解，逆解分析。结合六自由度平台，分析了基于动坐标系中，气动多自由度机械手的末端手爪运动规律。并分析了使得机械手能够克服崎岖路面环境，在变换的动坐标系情况下，保持静坐标系中末端点的位置不变的机械手运动规律。
　　接着，根据六自由度平台和气动多自由度机械手的具体参数，在AMESim中搭建了气动比例控制系统模型，并在Matlab/Simulink中编写控制策略。基于AMESim、Simulink软件，开展了气动机械手的联合仿真，得到了适合该气动多自由度机械手的控制策略。针对位置PID控制进行改进，添加气缸两腔内压力补偿，完成了负载口独立控制策略的仿真。同时，考虑到气动模型建立的复杂性，采用模糊控制进行实验研究，得到了仿真结果。
　　最后，搭建了包括六自由度平台和气动多自由度机械手的实验平台；基于 LabVIEW软件完成了控制程序的编写：包括六自由度平台的控制，平台姿态的采集和气动系统的控制。采用比例方向阀搭建相应气动系统，得到机械手末端位置控制精度，验证了仿真结果的正确性。并根据实验结果，改进控制策略，达到了实验要求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外相关研究现状

1.3论文的主要内容

第二章 气动多自由度机械手结构方案设计

2.1引言

2.2气动机械手系统框架

2.3机械手总体结构方案

2.4气动系统设计

2.5机械手详细结构设计

2.6本章小结

第三章 气动比例位置控制系统的数学建模

3.1引言

3.2气动系统数学建模

3.3崎岖路面模拟平台设计

3.4本章小结

第四章 气动机械手运动学分析

4.1引言

4.2机械手运动学分析

4.3机械手工作空间分析

4.4基于六自由度平台的气动机械手分析

4.5本章小结

第五章 控制策略与仿真分析

5.1引言

5.2气动机械手动力学模型

5.3 AMESim气动比例位置控制系统建模

5.4控制策略研究

5.5六自由度平台仿真分析

5.6静止情况下的气动机械手的仿真分析

5.7六自由度平台和气动机械手的联合仿真

5.8本章小结

第六章 硬件系统搭建与实验分析

6.1引言

6.2硬件系统搭建

6.3软件程序设计

6.4机械手平台框架

6.5实验结果及分析

6.6存在的问题与对策

6.7本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文