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未知环境的机器人辅助气囊抛光研究

作　者: 吴挺
导　师: 王忠飞
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 未知环境曲面拟合算法机器人气囊抛光主动柔顺控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为了实现机器人辅助气囊抛光系统能够自动识别并获取被抛光工件的几何信息,讨论了一种在未知环境下的机器人辅助气囊抛光在线重构未知曲面的算法,它是基于机器人力跟踪和最小二乘法的曲面拟合算法的原理。这一工作能够提高气囊抛光的加工效率,降低对操作工人的技能要求,适应现代制造业产品的特点。为了解决抛光工具与工件之间的主动柔顺控制问题,使用了一种基于气囊抛光头被动结构的主动柔顺力控制系统,从而保证了抛光过程中系统对位姿和接触力的精确要求,也保证了被加工工件的表面质量。上述两个问题的研究是机器人领域的热点,对于机器人辅助气囊抛光的研究与工程应用十分有益。本文首先讨论了AS-5DOF机械手的位姿描述方法,建立了运动学方程,并给出了正逆解表达式；阐述了在线重构抛光工件CAD几何信息的理论方法,以及为了保证气囊抛光力控制的稳定性而建立了一种基于气囊抛光头被动结构的主动柔顺力控制系统；简单介绍了气囊抛光系统的软件模块；最后,搭建了一个能够对未知工件进行建模的实验平台,并进行了实验验证。论文的主要研究内容和成果如下：1.从机器人理论出发,对AS-5DOF机械手进行了全面地分析,并建立了位姿描述方法和运动学方程,再根据AS-5DOF机械手各个关节的连杆系数和旋转角度范围,求出该抛光机器人各个关节正逆解。2.采用预定力跟踪控制系统对位置进行补偿,并根据机械臂的正运动学映射关系,求出AS-5DOF机械手的正运动学解,从而得到抛光工件表面各点的顶点坐标值,并根据这些空间坐标值,运用最小二乘法的曲面拟合算法对曲面片段进行拟合,从而得到重构后的抛光工件几何信息。3.为了让抛光机器人末端在约束环境的运动中保持预期的接触力,并保证抛光机器人末端在未知环境中的定位精度,使用了一种基于气囊抛光头被动结构的主动柔顺力控制系统。它采用基于位置内环的力外环控制,能够在不改变机器人内部自带的位置控制器的前提下实现力控制。4.以Visual C++为平台,开发了气囊抛光系统的控制软件,使气囊抛光系统增加了工件CAD信息的在线重构功能,并实现基于位置内环的力外环控制算法。5.搭建了一个能够对未知工件进行建模的实验平台,详细讨论了该实验系统的软硬件设计方案,并进行了相关的实验验证,达到了预期的效果。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-20
  1.1 本课题研究的目的和意义  12-13
  1.2 本课题的研究背景  13-16
    1.2.1 课题来源  13
    1.2.2 工业机器人的发展背景  13-14
    1.2.3 气囊抛光的研究背景  14-15
    1.2.4 力控制的研究背景  15-16
  1.3 国内外研究现状及发展趋势  16-18
    1.3.1 国内外研究现状  16-17
    1.3.2 发展趋势  17-18
  1.4 本课题的研究内容及难点  18-19
    1.4.1 本课题的研究内容  18-19
    1.4.2 本课题的难点  19
  1.5 本章小结  19-20
第2章机器人辅助气囊抛光模型建立  20-32
  2.1 机器人辅助气囊抛光系统  20-22
  2.2 AS-5DOF机械手的运动学模型  22-26
    2.2.1 AS-5DOF机械手的运动学方程  22-23
    2.2.2 AS-5DOF机械手的正运动学求解  23-24
    2.2.3 AS-5DOF机械手的逆运动学求解  24-26
  2.3 基于位置的阻抗控制模型  26-28
    2.3.1 机器人末端与环境的等效模型  26-27
    2.3.2 控制模型的建立  27-28
    2.3.3 接触力误差分析  28
  2.4 接触力检测系统  28-30
    2.4.1 六维腕力传感器简介  29
    2.4.2 传感器坐标变换  29-30
  2.5 本章小结  30-32
第3章抛光工件未知几何信息重构  32-48
  3.1 抛光工件信息获取的方案  32-36
    3.1.1 未知曲面几何信息在线重构  33-34
    3.1.2 未知曲面法矢量在线辨识  34-35
    3.1.3 两方案的优缺点比较  35-36
  3.2 抛光工件信息获取的控制策略  36-43
    3.2.1 抛光工件信息获取的控制模型  37-38
    3.2.2 控制模型改进  38-42
    3.2.3 求解抛光工件的顶点坐标  42-43
  3.3 求解抛光工件曲面  43-47
    3.3.1 曲面拟合问题  43-44
    3.3.2 最小二乘法曲面拟合  44-45
    3.3.3 曲面拟合matlab仿真  45-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章气囊抛光接触力的主动柔顺控制  48-67
  4.1 气囊抛光系统的主动柔顺控制结构  49-52
    4.1.1 气囊抛光机器人的抛光工具结构  49-50
    4.1.2 气囊抛光机器人的受力  50-52
  4.2 气囊抛光系统的主动柔顺控制策略  52-55
    4.2.1 气囊抛光机器人部分的位置误差  52-53
    4.2.2 气囊抛光机器人力外环柔顺控制的实现  53-54
    4.2.3 气囊抛光机器人力外环柔顺控制系统模型  54-55
  4.3 气囊抛光系统的主动柔顺控制系统参数量化  55-59
    4.3.1 气囊抛光机器人的刚度系数矩阵K_p  55-58
    4.3.2 气囊抛光机器人部分的运动误差  58-59
  4.4 气囊抛光系统的主动柔顺控制的跟踪策略  59-63
    4.4.1 力外环跟踪控制  59
    4.4.2 力控制器的设计  59-60
    4.4.3 实现力跟踪控制的条件  60-61
    4.4.4 系统对设定的力值跟踪仿真  61-63
  4.5 对自由曲面的抛光加工实验  63-65
    4.5.1 Z方向阶跃位移的响应实验  63-64
    4.5.2 系统对曲率半径变化的适应实验  64-65
  4.6 本章小结  65-67
第5章气囊抛光系统软件设计  67-78
  5.1 软件设计总体分析  67-68
    5.1.1 系统的开发平台选择  67-68
    5.1.2 系统的性能需求  68
  5.2 系统登陆模块  68-69
  5.3 操作界面模块  69-72
    5.3.1 操作界面设计方式一  70-71
    5.3.2 操作界面设计方式二  71-72
    5.3.3 两种设计方式比较  72
  5.4 数据输入输出模块  72-75
    5.4.1 数据输入模块  72-74
    5.4.2 数据输出模块  74-75
  5.5 数据计算模块  75-76
    5.5.1 曲面拟合算法计算模块  75-76
    5.5.2 最优轨迹规划计算模块  76
  5.6 图形显示模块  76-77
  5.7 本章小结  77-78
第6章实验平台设计与搭建  78-89
  6.1 实验总体方案设计  78-80
    6.1.1 实验预期功能分析  78
    6.1.2 实验总体方案  78-79
    6.1.3 实验方案评估  79-80
  6.2 实验系统硬件平台搭建  80-83
    6.2.1 力跟踪控制器  80-81
    6.2.2 多路舵机控制器  81-82
    6.2.3 舵机介绍  82-83
  6.3 实验系统软件设计  83-85
    6.3.1 逆运动学求解软件设计  83-84
    6.3.2 预定力跟踪控制软件设计  84-85
  6.4 实验结果  85-88
  6.5 本章小结  88-89
第7章结论与展望  89-91
  7.1 结论  89-90
  7.2 展望  90-91
参考文献  91-96
致谢  96-97
攻读学位期间参加的科研项目和成果  97

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