風(fēng)機(jī)葉片打磨機(jī)器人的控制研究.pdf

1、風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，逐漸受到人們的青睞和重視。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要部件之一，常因受到砂害、鹽霧侵蝕以及空氣中昆蟲和臟物的吸附而破壞其表面質(zhì)量，從而影響風(fēng)機(jī)的運(yùn)行成本和安全。對(duì)葉片進(jìn)行打磨再加工是恢復(fù)其表面質(zhì)量的常用方法，而葉片尺寸巨大，且打磨過程中會(huì)產(chǎn)生大量的短纖維和有害粉塵，所以維修成本較高。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的爆發(fā)式增長，相當(dāng)一部分葉片已經(jīng)進(jìn)入了維修期，且陸續(xù)進(jìn)入維修期的葉片將越來越多，如何及時(shí)有效地對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行打磨維修，

2、將成為該領(lǐng)域急需解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片的修復(fù)打磨具有加工質(zhì)量高、加工成本低、有效降低作業(yè)強(qiáng)度和粉塵危害的特點(diǎn)，是把作業(yè)人員從高污染、大勞動(dòng)強(qiáng)度的作業(yè)環(huán)境中解放出來的有效方法。
　　 由于風(fēng)機(jī)葉片尺寸巨大，風(fēng)機(jī)葉片打磨機(jī)器人需采用移動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)。移動(dòng)機(jī)械手由移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手組成，是集行走和操作功能于一體的復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)，有較好的操作靈活性和工作空間的廣闊性。本研究提出：在移動(dòng)機(jī)械手的末端安裝上打磨工具，構(gòu)成用于

3、風(fēng)機(jī)葉片修復(fù)的移動(dòng)式打磨機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在非完整約束，機(jī)械手和平臺(tái)之間存在動(dòng)力學(xué)耦合等，這些因素的存在給移動(dòng)機(jī)械手的控制帶來了挑戰(zhàn)。此外，打磨機(jī)器人在作業(yè)過程中，與外界環(huán)境存在著力的交互，打磨操作力的有效控制也是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心問題之一。
　　 針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片修復(fù)打磨的特點(diǎn)和要求，提出了將裝有打磨工具的移動(dòng)機(jī)械手作為風(fēng)機(jī)葉片修復(fù)的移動(dòng)式打磨機(jī)器人，在以下方面開展了研究工作。
　　 分析和確定了移動(dòng)式風(fēng)機(jī)葉

4、片打磨機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案，建立了打磨機(jī)器人的分層遞階控制結(jié)構(gòu)，確定機(jī)器人自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和末端接觸作業(yè)狀態(tài)下的控制策略。
　　 對(duì)移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械手和打磨機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并分析了打磨機(jī)器人系統(tǒng)的可控性和冗余特性。建立了機(jī)械手的SimMechanics機(jī)構(gòu)模型，通過仿真分析，獲得了機(jī)器人的工作空間。分析了典型葉片的截面尺寸數(shù)據(jù)，獲得了葉片的尺寸范圍，通過對(duì)比分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)的合理性。進(jìn)行了打磨機(jī)器人末端執(zhí)行器的軌

5、跡規(guī)劃。
　　 利用拉格朗日功能平衡法建立了打磨機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程，并將該方程分解為移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手兩個(gè)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，同時(shí)推導(dǎo)出了子系統(tǒng)間動(dòng)力學(xué)耦合項(xiàng)的表達(dá)式；建立了機(jī)器人系統(tǒng)的SimMechanics模型，通過仿真分析，獲得了動(dòng)力學(xué)耦合對(duì)各子系統(tǒng)的影響規(guī)律，為控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 研究了打磨機(jī)器人的控制策略。建立了基于反步控制的移動(dòng)平臺(tái)速度控制器，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定收斂的控制器。設(shè)

6、計(jì)了機(jī)械手系統(tǒng)的比例微分加前饋補(bǔ)償?shù)目刂破鳌ａ槍?duì)移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手之間存在的動(dòng)力學(xué)耦合，各控制器中均對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)償，以提高控制效果。
　　 分析比較了主動(dòng)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(jī)器人操作力的控制策略。建立了打磨機(jī)器人的阻抗控制器，并進(jìn)行了仿真分析，為葉片打磨過程中操作力的控制奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 建立了葉片打磨作業(yè)系統(tǒng)坐標(biāo)系，推導(dǎo)了葉片相對(duì)機(jī)器人基坐標(biāo)系的位姿描述和機(jī)械手關(guān)節(jié)