基于焊接机器人的关节空间轨迹规划方法--《电焊机》2009年04期
基于焊接机器人的关节空间轨迹规划方法
【摘要】：针对"昆山一号"机器人关节空间运动的实际需求,结合机器人实时轨迹插补算法,提出了关节空间轨迹规划方法。运用离线编程软件仿真得到机器人末端运行轨迹,路径平稳连续。通过MATLAB仿真得到机器人各个关节角度变化曲线和关节速度变化曲线,关节角度曲线平滑连续,关节速度曲线合理无突变。关节空间规划方法也可以应用在由变位机、导轨和机器人组成的多轴系统中,运行轨迹连续稳定,速度曲线满足工艺要求。该方法应用于"昆山一号"焊接机器人中,满足焊接实时调速和实时调整轨迹的需要。规划结果表明关节空间规划方法是合理正确的。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TG43【正文快照】：
0前言一般而言,机器人的轨迹规划分为关节空间轨迹规划和笛卡尔空间轨迹规划。关节空间轨迹规划是以关节角度的函数描述机器人轨迹,关节空间法无需在笛卡尔坐标系描述两个路径点之间的路径形状,计算简单、容易[1]。此外,由于关节空间与笛卡尔空间之间并不是连续的对应关系,因
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硕士 学 位 论 文
伺 服压 力机 仿真与 工艺 轨迹 规划
学位申请人 : 周
学 科专业 : 材料加工工程
指 导教师 : 叶春生 副教授
答 辩日期 : 2012 年 1 月 9 日A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
For the Degree of Master of Engineering
The Simulation of Servo Press and The Design of
Technological Trajectories
: Zhou Yang
Major: Material Manufacturing Engineering
Supervisor
: Prof. Ye Chunsheng
Huazhong University of Science & Technology
Wuhan, Hubei 430074, P. R. China
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成
果。 尽我所知, 除文中已经标明引用的内容外 , 本论文不包含任何其他个人或集体已经发
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日期: 年 月 日华中科技大学硕士 学位论 文
传统机械压力机由于工作模式固定、 运动特性 无法调节、 工艺适应性较差, 已经无
法满足不同材料、 不同冲压工艺的成形要求。 随着伺
正在加载中，请稍后...气动机械手空间运动轨迹控制研究--《哈尔滨工业大学》2010年博士论文
气动机械手空间运动轨迹控制研究
【摘要】：
多自由度机械手运动系统在汽车风挡玻璃涂胶作业中应用广泛,其中机械手运动轨迹控制尤为关键。胶水的易燃性使得机械手气压驱动方式极具竞争力。本研究的主要目的就是使用气动位置伺服驱动方式组成多自由度机械手,结合气动系统的特点研究机械手空间运动轨迹控制,为其在汽车风挡玻璃涂胶等领域的工业应用打下坚实的基础。
本文根据涂胶要求结合现有条件研制了一种三自由度关节串联式气动机械手控制系统。单关节(腰部、大臂、小臂)动力机构采用气动比例流量阀控缸。首先介绍了机械手的基本组成和工作原理,建立了机械手运动学模型,进行了运动学正解和反解分析。结合气动机械手运动学模型,使用基于运动学模型的逆推关节的角度规划轨迹方法,完成了多种轨迹的仿真分析,提出了适合机械手单关节气动位置伺服系统特点的规划轨迹理论指导。
关节动力学特性是机械手关节控制的理论基础。本文推导了气动机械手关节动力学方程并进行了简化。通过动力学仿真得出机械手在低速运动时重力矩为关节驱动力矩主要部分,由此根据简化的动力学方程,提出了使用规划轨迹位置的重力矩补偿控制方法,得到了各关节实时简单的期望重力补偿力矩。给出了重力补偿力矩的基本变化规律,为轨迹规划提供了参考依据。通过空间直线轨迹运动实验证明了补偿方法的有效性。
建立了气动机械手单关节的线性化模型。通过机械手关节辨识实验,得到了关节辨识模型,经过对比,二者低频段特性相似,理论推导结果可信。针对气动系统特性复杂等特点,设计了基于关节线性化模型的机械手单关节气动位置伺服系统极点配置控制器,针对机械手运动中单关节不同负载、不同轨迹、不同工况以及不同控制模型条件下,分析了系统极点位置配置区域,得到了适应多任务情况的系统闭环主导极点的配置范围。针对机械手低速运动时气缸易出现爬行现象研究了气动系统的颤振补偿效应,通过叠加正弦颤振信号,使气缸产生交变的微小运动,减小了摩擦力引起的系统非线性影响,消减了低速运行时气缸的爬行,给出了颤振信号幅值与频率与系统性能的关系,提出了气动机械手关节颤振信号参数设计依据。建立了气动机械手Simulink/ADAMS联合仿真模型,对比了机械手单关节及三关节联动时各关节运动跟踪响应特性,发现联动时关节间的耦合明显,误差变大。最后完成了机械手单关节特性实验,结果表明系统具有较好的跟踪能力和鲁棒性。
气动机械手关节间联动时存在明显的耦合。根据单关节比例流量阀控直线气缸数学模型,结合关节动力学简化方程,建立了机械手大小臂双关节动力机构耦合动力学关系,研究了大小臂关节的耦合影响,分析了关节角加速度对关节耦合惯性力矩的关系。根据重力补偿和实际工况参数,设计了解耦补偿控制器了双关节解耦补偿控制器,该方法对消除机械手关节之间的交连耦合,提高系统单关节的动态特性效果明显。
最后,进行了机械手空间轨迹控制实验研究。介绍了气动机械手的组成及针对其多关节多任务特点所设计的实时控制系统。综合关节极点配置控制策略控制方法,辅以规划轨迹位置关节重力矩补偿、大小臂解耦补偿控制,进行了机械手三关节联动空间运动轨迹跟踪控制实验,分别跟踪了空间直线,空间圆周以及某车风挡玻璃1:2外形轮廓,结果表明机械手末端跟踪误差少,跟踪轨迹在笛卡尔空间各坐标轴分量平均相对偏差率保持在2%以内,机械手三关节动作同步性好,末端运动速度波动控制在2mm/s以内。综合以上性能气动机械手能够满足实际的工业涂胶应用的精度及均匀性要求,为进一步的工业实用化打下了基础。
【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2010【分类号】：TP241【目录】：
Abstract6-17
第1章 绪论17-32
1.1 课题来源17
1.2 课题研究目的和意义17-18
1.3 气动伺服技术的研究现状18-23
1.3.1 气动位置伺服系统的分类19
1.3.2 气动直线位置伺服系统的研究现状及成果19-22
1.3.3 气动旋转位置伺服系统的研究现状及成果22-23
1.4 涂胶机器人的发展现状23-25
1.5 机器人控制技术的研究现状及分析25-30
1.5.1 机器人控制技术综述26-27
1.5.2 机器人动力学的补偿控制27-29
1.5.3 机器人关节解耦控制方法29-30
1.6 轨迹规划问题的研究现状30-31
1.7 研究内容31-32
第2章 气动机械手运动学及轨迹规划研究32-52
2.1 引言32
2.2 气动机械手系统构成32-33
2.3 运动学分析33-38
2.3.1 气动机械手坐标系的建立34-35
2.3.2 气动机械手运动学分析35-37
2.3.3 气动机械手运动学反解37-38
2.4 轨迹插补38-40
2.4.1 直线轨迹插补算法38-39
2.4.2 圆弧轨迹插补算法39-40
2.5 关节轨迹规划研究40-42
2.6 仿真分析42-49
2.6.1 ADAMS动力学仿真软件42
2.6.2 空间运动仿真42-49
2.6.3 运动仿真结果分析49
2.7 实验研究49-51
2.7.1 轨迹插补与路径规划实验49-50
2.7.2 轨迹跟踪重复性验证实验50-51
2.8 本章小结51-52
第3章 气动机械手关节重力矩补偿控制研究52-68
3.1 引言52
3.2 气动机械手动力学分析52-57
3.2.1 拉格朗日功能平衡法52-53
3.2.2 机械手动能和位能53-55
3.2.3 机械手关节动力学方程55-57
3.3 机械手动力学方程简化57-60
3.4 机械手关节力矩补偿控制研究60-64
3.4.1 腰部关节惯性力矩61
3.4.2 大、小臂关节惯性和重力力矩61
3.4.3 规划轨迹的重力补偿控制及分析61-64
3.5 仿真分析及实验研究64-67
3.5.1 仿真分析64-65
3.5.2 重力矩补偿控制实验65-67
3.6 本章小结67-68
第4章 机械手关节建模及极点配置控制器设计研究68-108
4.1 引言68
4.2 机械手关节建模分析68-81
4.2.1 系统建模方法分类68-69
4.2.2 气动机械手关节模型的建立69-79
4.2.3 气动机械手关节辨识模型79-81
4.3 气动机械手关节极点配置控制器设计与研究81-92
4.3.1 系统的状态方程及能观可控分析81-84
4.3.2 极点配置控制器的设计84-87
4.3.3 气动机械手关节极点配置分析87-92
4.4 气动系统颤振补偿效应研究92-97
4.4.1 阀和气缸的摩擦力产生与影响93
4.4.2 颤振补偿的机理分析93-94
4.4.3 颤振信号补偿控制94-97
4.5 仿真分析97-101
4.5.1 基于 Simulink/ADAMS 的联合仿真97
4.5.2 仿真模型的建立97-98
4.5.3 仿真结果及分析98-101
4.6 气动机械手关节实验研究101-107
4.6.1 腰部关节跟踪实验101-103
4.6.2 大臂关节跟踪实验103-105
4.6.3 小臂关节跟踪实验105-107
4.7 本章小结107-108
第5章 气动机械手关节解耦补偿控制研究108-124
5.1 引言108
5.2 多变量耦合系统108-112
5.2.1 P规范和V规范控制对象108-109
5.2.2 P规范和V规范耦合环节109-110
5.2.3 解耦设计的一般原则110-112
5.3 气动机械手双关节解耦设计及分析112-119
5.3.1 机械手双关节动力学模型及耦合关系112-113
5.3.2 气缸输出位移与关节转角关系113-114
5.3.3 机械手大小臂关节耦合动力学方程114-117
5.3.4 解耦方式选择及补偿控制117-118
5.3.5 大小臂关节耦合影响分析118-119
5.4 仿真分析及实验研究119-122
5.4.1 仿真分析119-120
5.4.2 解耦补偿控制实验120-122
5.5 本章小结122-124
第6章 气动机械手空间轨迹控制实验研究124-138
6.1 引言124
6.2 气动机械手实验台124-128
6.2.1 组成及工作原理124-126
6.2.2 控制系统的设计126-128
6.3 气动机械手空间轨迹控制实验128-137
6.3.1 空间直线轨迹跟踪实验128-131
6.3.2 空间圆周轨迹跟踪实验131-133
6.3.3 某汽车风挡玻璃外形轮廓跟踪实验133-137
6.3.4 实验结果分析137
6.4 本章小结137-138
结论138-140
参考文献140-148
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果148-150
致谢150-151
个人简历151
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