插接管道焊縫檢測機器人掃查軌跡規(guī)劃及控制的研究.pdf

1、針對插接管道的相貫線焊縫掃查軌跡特點，設(shè)計了一種7自由度的焊縫掃查機器人。該機器人安裝在具有剖分式、變直徑、自動對心等特點的管道夾具上，根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，設(shè)計了兩臺管道夾具，以分別適應(yīng)100～200mm、200～400mm的管道直徑。與管道夾具對心連接部位，設(shè)計了一種可驅(qū)動機器人進行360°旋轉(zhuǎn)的大轉(zhuǎn)盤，大轉(zhuǎn)盤上安裝著具備三個位置自由度與三個姿態(tài)自由度的機器人手臂。該機器人手臂的關(guān)節(jié)設(shè)有一種電機卸載軸承座，可實現(xiàn)機器人關(guān)節(jié)輸出扭矩與彎矩

2、的分離。該機器人系統(tǒng)采用上位機(工控機)/下位機(單片機)、單片機/步進電機控制器復(fù)合控制驅(qū)動方法，通過上位機的軟件控制實現(xiàn)了機器人手動、自動與復(fù)位控制功能。 基于齊次坐標變換與D-H約定關(guān)系，通過幾何法求解了與相貫線掃查參數(shù)相關(guān)聯(lián)的機器人逆運動學(xué)問題。基于管道相貫線表面探塊掃查的幾何特點，為確定末端探塊位置與姿態(tài)，提出并實現(xiàn)了一種與通用機器人歐拉角變換功能類似的坐標轉(zhuǎn)換方法。通過引入冗余降解參數(shù)y、掃查半徑R、被掃管道半徑Rb

3、和管道安裝高度h等參數(shù)，建立了機器人逆運動學(xué)求解模型。 基于病毒遺傳算法(VEGA)建立了插接管道焊縫掃查機器人以最小能量優(yōu)化為目標的綜合軌跡規(guī)劃算法，在機器人冗余度空間內(nèi)確定了綜合性能最優(yōu)的關(guān)節(jié)姿態(tài)。研究了算法需滿足的四大限定條件：肘點障礙碰撞回避條件，任務(wù)空間內(nèi)軌跡掃描精度條件，機器人極限安裝高度限制條件，包含速度與關(guān)節(jié)力矩的動力學(xué)限制條件。對插接管道焊縫掃查機器人能量最小軌跡的VEGA計算仿真結(jié)果表明：機器人最末連桿L3處

4、于鉛垂狀態(tài)的軌跡所消耗的能量為最小。本算法無需進行機器人逆運動學(xué)求解，避開了冗余機器人必須求解偽逆矩陣及奇異點等難點。 在笛卡兒空間連續(xù)軌跡規(guī)劃問題框架內(nèi)，研究了末端位置誤差受限條件下機器人軌跡所需最小插值節(jié)點的規(guī)劃模型。在傳統(tǒng)節(jié)點規(guī)劃二分算法(BA)的基礎(chǔ)上提出了一種新的繼承二分算法(IBA)。IBA分為兩個步驟：第一步是進行低位置精度的一次節(jié)點BA規(guī)劃，第二步是繼承第一次規(guī)劃結(jié)果的高位置精度二次BA節(jié)點規(guī)劃。仿真結(jié)果表明：I

5、BA所需的IKC(逆運動學(xué)求解)次數(shù)要少于BA所需的IKC次數(shù)，在位置控制精度較高的場合采用IBA算法能夠有效提高控制節(jié)點規(guī)劃的計算效率，從而有利于提高實時控制的控制效率。 給出并證明了一種主動可控關(guān)節(jié)與被動柔順關(guān)節(jié)相配合、內(nèi)環(huán)與外環(huán)控制相分離的串聯(lián)機器人位置/力控制方法。這種控制方法的核心是將機器人主動關(guān)節(jié)部分劃分為可控的內(nèi)環(huán)控制部分，被動關(guān)節(jié)的控制需要通過主動關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)來間接實現(xiàn)，被動柔順關(guān)節(jié)的控制是控制系統(tǒng)中的外環(huán)控制部分

6、，其功能為：提供并成為主動關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)中的輸入量。采用位控與力控分離、主動與被動分離的方法提出了位置/力串行控制策略，并建立了插接管道焊縫掃查機器人位置/力控制問題模型。仿真研究了分度角分別為0°、30°、60°與90°所對應(yīng)的圓、橢圓及直線的截面線軌跡掃查控制情況，結(jié)果表明存在初始偏差擾動的機器人，經(jīng)過位置與力控制后都能到達預(yù)定的位置并滿足力控制要求，從而證明了整個控制策略的有效性。 模擬核電站插接管道焊縫掃查環(huán)境進行了機