風機葉片打磨機器人的控制研究.pdf

1、風能作為一種清潔可再生能源，逐漸受到人們的青睞和重視。葉片是風力發(fā)電機的重要部件之一，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量，從而影響風機的運行成本和安全。對葉片進行打磨再加工是恢復其表面質量的常用方法，而葉片尺寸巨大，且打磨過程中會產生大量的短纖維和有害粉塵，所以維修成本較高。隨著風電裝機容量的爆發(fā)式增長，相當一部分葉片已經進入了維修期，且陸續(xù)進入維修期的葉片將越來越多，如何及時有效地對風機葉片進行打磨維修，

2、將成為該領域急需解決的一項關鍵技術。應用機器人進行風機葉片的修復打磨具有加工質量高、加工成本低、有效降低作業(yè)強度和粉塵危害的特點，是把作業(yè)人員從高污染、大勞動強度的作業(yè)環(huán)境中解放出來的有效方法。
　　 由于風機葉片尺寸巨大，風機葉片打磨機器人需采用移動機械手結構。移動機械手由移動平臺和機械手組成，是集行走和操作功能于一體的復雜機器人系統(tǒng)，有較好的操作靈活性和工作空間的廣闊性。本研究提出：在移動機械手的末端安裝上打磨工具，構成用于

3、風機葉片修復的移動式打磨機器人。移動機械手結構復雜，存在非完整約束，機械手和平臺之間存在動力學耦合等，這些因素的存在給移動機械手的控制帶來了挑戰(zhàn)。此外，打磨機器人在作業(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器人控制系統(tǒng)的核心問題之一。
　　 針對風機葉片修復打磨的特點和要求，提出了將裝有打磨工具的移動機械手作為風機葉片修復的移動式打磨機器人，在以下方面開展了研究工作。
　　 分析和確定了移動式風機葉

4、片打磨機器人的結構方案，建立了打磨機器人的分層遞階控制結構，確定機器人自由運動狀態(tài)和末端接觸作業(yè)狀態(tài)下的控制策略。
　　 對移動平臺、機械手和打磨機器人系統(tǒng)進行了運動學建模，并分析了打磨機器人系統(tǒng)的可控性和冗余特性。建立了機械手的SimMechanics機構模型，通過仿真分析，獲得了機器人的工作空間。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，通過對比分析，驗證了所設計的機器人機構的合理性。進行了打磨機器人末端執(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器人的動力學方程，并將該方程分解為移動平臺和機械手兩個子系統(tǒng)的動力學方程，同時推導出了子系統(tǒng)間動力學耦合項的表達式；建立了機器人系統(tǒng)的SimMechanics模型，通過仿真分析，獲得了動力學耦合對各子系統(tǒng)的影響規(guī)律，為控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎。
　　 研究了打磨機器人的控制策略。建立了基于反步控制的移動平臺速度控制器，在此基礎上設計了實現(xiàn)移動平臺動力學穩(wěn)定收斂的控制器。設

6、計了機械手系統(tǒng)的比例微分加前饋補償?shù)目刂破?。針對移動平臺和機械手之間存在的動力學耦合，各控制器中均對此進行了補償，以提高控制效果。
　　 分析比較了主動柔順控制中的力/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器人操作力的控制策略。建立了打磨機器人的阻抗控制器，并進行了仿真分析，為葉片打磨過程中操作力的控制奠定了理論基礎。
　　 建立了葉片打磨作業(yè)系統(tǒng)坐標系，推導了葉片相對機器人基坐標系的位姿描述和機械手關節(jié)