氣動(dòng)機(jī)械手空間運(yùn)動(dòng)軌跡控制研究.pdf

1、多自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在汽車風(fēng)擋玻璃涂膠作業(yè)中應(yīng)用廣泛，其中機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡控制尤為關(guān)鍵。膠水的易燃性使得機(jī)械手氣壓驅(qū)動(dòng)方式極具競(jìng)爭(zhēng)力。本研究的主要目的就是使用氣動(dòng)位置伺服驅(qū)動(dòng)方式組成多自由度機(jī)械手，結(jié)合氣動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)研究機(jī)械手空間運(yùn)動(dòng)軌跡控制，為其在汽車風(fēng)擋玻璃涂膠等領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　本文根據(jù)涂膠要求結(jié)合現(xiàn)有條件研制了一種三自由度關(guān)節(jié)串聯(lián)式氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)。單關(guān)節(jié)（腰部、大臂、小臂）動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)比例流量閥控

2、缸。首先介紹了機(jī)械手的基本組成和工作原理，建立了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和反解分析。結(jié)合氣動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，使用基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的逆推關(guān)節(jié)的角度規(guī)劃軌跡方法，完成了多種軌跡的仿真分析，提出了適合機(jī)械手單關(guān)節(jié)氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)特點(diǎn)的規(guī)劃軌跡理論指導(dǎo)。
　　關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)特性是機(jī)械手關(guān)節(jié)控制的理論基礎(chǔ)。本文推導(dǎo)了氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程并進(jìn)行了簡(jiǎn)化。通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真得出機(jī)械手在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)重力矩為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩主要部分，由此根據(jù)簡(jiǎn)化的動(dòng)

3、力學(xué)方程，提出了使用規(guī)劃軌跡位置的重力矩補(bǔ)償控制方法，得到了各關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)簡(jiǎn)單的期望重力補(bǔ)償力矩。給出了重力補(bǔ)償力矩的基本變化規(guī)律，為軌跡規(guī)劃提供了參考依據(jù)。通過(guò)空間直線軌跡運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)證明了補(bǔ)償方法的有效性。
　　建立了氣動(dòng)機(jī)械手單關(guān)節(jié)的線性化模型。通過(guò)機(jī)械手關(guān)節(jié)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)，得到了關(guān)節(jié)辨識(shí)模型，經(jīng)過(guò)對(duì)比，二者低頻段特性相似，理論推導(dǎo)結(jié)果可信。針對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)特性復(fù)雜等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于關(guān)節(jié)線性化模型的機(jī)械手單關(guān)節(jié)氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)極點(diǎn)配置控制器，

4、針對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)中單關(guān)節(jié)不同負(fù)載、不同軌跡、不同工況以及不同控制模型條件下，分析了系統(tǒng)極點(diǎn)位置配置區(qū)域，得到了適應(yīng)多任務(wù)情況的系統(tǒng)閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的配置范圍。針對(duì)機(jī)械手低速運(yùn)動(dòng)時(shí)氣缸易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象研究了氣動(dòng)系統(tǒng)的顫振補(bǔ)償效應(yīng)，通過(guò)疊加正弦顫振信號(hào)，使氣缸產(chǎn)生交變的微小運(yùn)動(dòng)，減小了摩擦力引起的系統(tǒng)非線性影響，消減了低速運(yùn)行時(shí)氣缸的爬行，給出了顫振信號(hào)幅值與頻率與系統(tǒng)性能的關(guān)系，提出了氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)顫振信號(hào)參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)。建立了氣動(dòng)機(jī)械手Simul

5、ink/ADAMS聯(lián)合仿真模型，對(duì)比了機(jī)械手單關(guān)節(jié)及三關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)時(shí)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)跟蹤響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)間的耦合明顯，誤差變大。最后完成了機(jī)械手單關(guān)節(jié)特性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)具有較好的跟蹤能力和魯棒性。
　　氣動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)間聯(lián)動(dòng)時(shí)存在明顯的耦合。根據(jù)單關(guān)節(jié)比例流量閥控直線氣缸數(shù)學(xué)模型，結(jié)合關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化方程，建立了機(jī)械手大小臂雙關(guān)節(jié)動(dòng)力機(jī)構(gòu)耦合動(dòng)力學(xué)關(guān)系，研究了大小臂關(guān)節(jié)的耦合影響，分析了關(guān)節(jié)角加速度對(duì)關(guān)節(jié)耦合慣性力矩的關(guān)系。根據(jù)重力

6、補(bǔ)償和實(shí)際工況參數(shù)，設(shè)計(jì)了解耦補(bǔ)償控制器了雙關(guān)節(jié)解耦補(bǔ)償控制器，該方法對(duì)消除機(jī)械手關(guān)節(jié)之間的交連耦合，提高系統(tǒng)單關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性效果明顯。
　　最后，進(jìn)行了機(jī)械手空間軌跡控制實(shí)驗(yàn)研究。介紹了氣動(dòng)機(jī)械手的組成及針對(duì)其多關(guān)節(jié)多任務(wù)特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。綜合關(guān)節(jié)極點(diǎn)配置控制策略控制方法，輔以規(guī)劃軌跡位置關(guān)節(jié)重力矩補(bǔ)償、大小臂解耦補(bǔ)償控制，進(jìn)行了機(jī)械手三關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)空間運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制實(shí)驗(yàn)，分別跟蹤了空間直線，空間圓周以及某車風(fēng)擋玻璃1：2