打磨機器人控制技術

第1章　緒論 1
　1.1　打磨機器人概述 1
　1.2　風機葉片的結構及製造工藝 2
　　1.2.1　風機葉片的結構設計 2
　　1.2.2　風機葉片的材料選擇 3
　　1.2.3　風機葉片的製造工藝 4
　1.3　移動機械手的研究概述 6
　　1.3.1　移動機械手的組成與特點 6
　　1.3.2　移動機械手的國內外研究狀況 7
　　1.3.3　移動機械手技術在機械加工中的應用 10
　1.4　移動機械手的關鍵技術 12
　　1.4.1　移動機械手的運動規劃 12
　　1.4.2　移動機械手的協調控制 13
　　1.4.3　移動機械手的力控制 15
　1.5　本書的主要內容 17

第2章　打磨機器人的總體方案 19
　2.1　葉片打磨原理 19
　　2.1.1　葉片打磨方法 19
　　2.1.2　砂輪位姿分析 20
　2.2　打磨系統方案 21
　　2.2.1　系統方案分析 21
　　2.2.2　打磨機器人的結構方案 24
　2.3　打磨機器人的控制策略 25
　　2.3.1　葉片維護的工藝流程 25
　　2.3.2　機器人控制策略分析 25

第3章　打磨機器人的運動分析 32
　3.1　移動平臺運動學分析 32
　　3.1.1　微分幾何非線性控制理論 32
　　3.1.2　非完整系統描述 34
　　3.1.3　移動平臺的運動學模型 35
　　3.1.4　移動平臺的可控性分析 38
　3.2　打磨機器人運動學分析 38
　　3.2.1　機械手的正運動學模型 38
　　3.2.2　打磨機器人的正運動學模型 40
　　3.2.3　打磨機器人的運動約束方程 42
　　3.2.4　打磨機器人的冗余特性 43
　　3.2.5　打磨機器人的逆運動學分析 44
　　3.2.6　打磨機器人的工作空間 46
　3.3　葉片的結構及參數 48
　3.4　打磨機器人的軌跡規劃 50

第4章　打磨機器人的動力學分析 54
　4.1　移動機械手的動力學模型 54
　4.2　子系統動力學模型 59
　　4.2.1　移動平臺動力學模型 60
　　4.2.2　機械手動力學模型 62
　4.3　機器人系統的耦合特性分析 62
　　4.3.1　機器人機構模擬模型 63
　　4.3.2　耦合力對子系統的影響分析 64
　4.4　基於整體動力學的控制分析 66
　　4.4.1　控制律的設計 67
　　4.4.2　模擬分析 71

第5章　打磨機器人的控制策略 74
　5.1　自由運動狀態軌跡跟蹤控制 74
　　5.1.1　移動平臺的反步跟蹤控制 75
　　5.1.2　機械手的比例微分加前饋補償控制 79
　　5.1.3　模擬分析 81
　5.2　接觸作業狀態的操作力控制 84
　　5.2.1　主動柔順控制 84
　　5.2.2　阻抗控制的實現方法 87
　　5.2.3　操作力的阻抗控制 89
　　5.2.4　模擬分析 91

第6章　風機葉片打磨作業的模擬實驗 94
　6.1　作業系統坐標系的建立 94
　　6.1.1　環境坐標系的建立 94
　　6.1.2　砂輪相對葉片的位姿描述 95
　　6.1.3　葉片相對機器人基坐標系的位姿描述 96
　　6.1.4　機械手的關節速度 97
　6.2　磨削力的分析 98
　6.3　葉片打磨過程的控制模型 99
　6.4　模擬實驗 101

參考文獻 114

葉片是風力發電機的重要部件之一,對葉片進行打磨再加工是恢復其表面品質的常用方法,應用機器人進行風機葉片的修復打磨具有加工品質高、加工成本低、有效降低作業強度和粉塵危害的特點,是把作業人員從高污染、大勞動強度的作業環境中解放出來的有效方法。風機葉片尺寸巨大,風機葉片打磨機器人需採用移動機械手結構。針對風機葉片修復打磨的特點和要求,本書提出：在移動機械手的末端安裝上打磨工具,構成用於風機葉片修復的移動式打磨機器人。

本書分析和確定了移動式風機葉片打磨機器人的結構方案,建立了打磨機器人的分層遞階控制結構,確定了機器人自由運動狀態和末端接觸作業狀態下的控制策略；建立了機械手的Sim Mechanics機構模型,通過模擬分析,獲得了機器人的工作空間,驗證了所設計的機器人機構的合理性,並進行了打磨機器人末端執行器的軌跡規劃；研究了打磨機器人的控制策略,建立了基於反步控制的移動平臺速度控制器,在此基礎上設計了實現移動平臺動力學穩定收斂的控制器,設計了機械手系統的比例微分加前饋補償的控制器,針對移動平臺和機械手之間存在的動力學耦合,各控制器中均進行了補償；分析比較了主動柔順控制中的力/位混合控制和阻抗控制兩種策略,確定了阻抗控制作為打磨機器人操作力的控制策略,建立了打磨機器人的阻抗控制器,並進行了模擬分析,為葉片打磨過程中操作力的控制奠定了理論基礎;建立了葉片打磨作業系統坐標系,推導了葉片相對機器人基坐標系的位姿描述和機械手關節速度描述；分析了磨削力大小的影響因素；建立了葉片打磨過程的控制模型,基於SolidWorks、ADAMS和Matlab/Simulink,建立了打磨機器人作業過程的協同模擬平臺,進行了打磨作業的模擬實驗,結果驗證了所設計的打磨機器人及其控制系統的可行性。

在本書完成之際,衷心感謝各位學術前輩和同行的説明,特別感謝哈爾濱工程大學張立勳教授的關心和指導。感謝工作單位哈爾濱商業大學領導及同事的支援和幫助,感謝黑龍江省高校首批“新工科”研究與實踐專案、哈爾濱商業大學博士科研啟動基金專案的資助。

由於作者學識和研究水準有限,書中難免有疏漏和不足之處,敬請讀者批評指正。

著者