氣動機械手空間運動軌跡控制研究.pdf

1、多自由度機械手運動系統(tǒng)在汽車風擋玻璃涂膠作業(yè)中應用廣泛，其中機械手運動軌跡控制尤為關鍵。膠水的易燃性使得機械手氣壓驅動方式極具競爭力。本研究的主要目的就是使用氣動位置伺服驅動方式組成多自由度機械手，結合氣動系統(tǒng)的特點研究機械手空間運動軌跡控制，為其在汽車風擋玻璃涂膠等領域的工業(yè)應用打下堅實的基礎。
　　本文根據涂膠要求結合現(xiàn)有條件研制了一種三自由度關節(jié)串聯(lián)式氣動機械手控制系統(tǒng)。單關節(jié)（腰部、大臂、小臂）動力機構采用氣動比例流量閥控

2、缸。首先介紹了機械手的基本組成和工作原理，建立了機械手運動學模型，進行了運動學正解和反解分析。結合氣動機械手運動學模型，使用基于運動學模型的逆推關節(jié)的角度規(guī)劃軌跡方法，完成了多種軌跡的仿真分析，提出了適合機械手單關節(jié)氣動位置伺服系統(tǒng)特點的規(guī)劃軌跡理論指導。
　　關節(jié)動力學特性是機械手關節(jié)控制的理論基礎。本文推導了氣動機械手關節(jié)動力學方程并進行了簡化。通過動力學仿真得出機械手在低速運動時重力矩為關節(jié)驅動力矩主要部分，由此根據簡化的動

3、力學方程，提出了使用規(guī)劃軌跡位置的重力矩補償控制方法，得到了各關節(jié)實時簡單的期望重力補償力矩。給出了重力補償力矩的基本變化規(guī)律，為軌跡規(guī)劃提供了參考依據。通過空間直線軌跡運動實驗證明了補償方法的有效性。
　　建立了氣動機械手單關節(jié)的線性化模型。通過機械手關節(jié)辨識實驗，得到了關節(jié)辨識模型，經過對比，二者低頻段特性相似，理論推導結果可信。針對氣動系統(tǒng)特性復雜等特點，設計了基于關節(jié)線性化模型的機械手單關節(jié)氣動位置伺服系統(tǒng)極點配置控制器，

4、針對機械手運動中單關節(jié)不同負載、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)極點位置配置區(qū)域，得到了適應多任務情況的系統(tǒng)閉環(huán)主導極點的配置范圍。針對機械手低速運動時氣缸易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象研究了氣動系統(tǒng)的顫振補償效應，通過疊加正弦顫振信號，使氣缸產生交變的微小運動，減小了摩擦力引起的系統(tǒng)非線性影響，消減了低速運行時氣缸的爬行，給出了顫振信號幅值與頻率與系統(tǒng)性能的關系，提出了氣動機械手關節(jié)顫振信號參數設計依據。建立了氣動機械手Simul

5、ink/ADAMS聯(lián)合仿真模型，對比了機械手單關節(jié)及三關節(jié)聯(lián)動時各關節(jié)運動跟蹤響應特性，發(fā)現(xiàn)聯(lián)動時關節(jié)間的耦合明顯，誤差變大。最后完成了機械手單關節(jié)特性實驗，結果表明系統(tǒng)具有較好的跟蹤能力和魯棒性。
　　氣動機械手關節(jié)間聯(lián)動時存在明顯的耦合。根據單關節(jié)比例流量閥控直線氣缸數學模型，結合關節(jié)動力學簡化方程，建立了機械手大小臂雙關節(jié)動力機構耦合動力學關系，研究了大小臂關節(jié)的耦合影響，分析了關節(jié)角加速度對關節(jié)耦合慣性力矩的關系。根據重力

6、補償和實際工況參數，設計了解耦補償控制器了雙關節(jié)解耦補償控制器，該方法對消除機械手關節(jié)之間的交連耦合，提高系統(tǒng)單關節(jié)的動態(tài)特性效果明顯。
　　最后，進行了機械手空間軌跡控制實驗研究。介紹了氣動機械手的組成及針對其多關節(jié)多任務特點所設計的實時控制系統(tǒng)。綜合關節(jié)極點配置控制策略控制方法，輔以規(guī)劃軌跡位置關節(jié)重力矩補償、大小臂解耦補償控制，進行了機械手三關節(jié)聯(lián)動空間運動軌跡跟蹤控制實驗，分別跟蹤了空間直線，空間圓周以及某車風擋玻璃1：2