機(jī)器人遙控焊接非結(jié)構(gòu)化環(huán)境力覺(jué)輔助裝配策略研究.pdf

1、核環(huán)境設(shè)備修復(fù)、海洋工程水下施工、空間站建設(shè)維護(hù)以及地下管道維修等極限環(huán)境任務(wù)，需要操作者在遠(yuǎn)離工作現(xiàn)場(chǎng)的安全環(huán)境中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的傳感信息對(duì)焊接設(shè)備和焊接過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，實(shí)現(xiàn)遙控焊接。對(duì)于極限環(huán)境管道裂紋修復(fù)任務(wù)，采用基于管道替換策略的機(jī)器人遙控焊接維修方案具有很好的應(yīng)用前景。本文針對(duì)基于力覺(jué)傳感控制的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境裝配策略進(jìn)行研究，用于實(shí)現(xiàn)管道替換遙控焊接方案中涉及的作業(yè)工具裝配操作，為機(jī)器人遙控焊接技術(shù)在極限環(huán)境管道維修領(lǐng)域

2、的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　根據(jù)管道替換遙控焊接方案中工具裝配操作的過(guò)程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于開(kāi)放式位置伺服機(jī)器人、六維力/力矩傳感器和力反饋操縱桿的機(jī)器人遙控焊接力覺(jué)傳感控制系統(tǒng)，作為表面跟蹤共享力覺(jué)控制和工具裝配主動(dòng)柔順控制等力覺(jué)傳感控制關(guān)鍵技術(shù)的研究平臺(tái)。力覺(jué)傳感控制技術(shù)是機(jī)器人遙控焊接非結(jié)構(gòu)化環(huán)境裝配策略研究的核心問(wèn)題。
　　通過(guò)對(duì)遙控焊接任務(wù)空間和人機(jī)智能分配模式的分析，提出了被動(dòng)柔順共享監(jiān)督和宏觀遙控局部自主兩類非結(jié)

3、構(gòu)化環(huán)境裝配策略。被動(dòng)柔順共享監(jiān)督裝配策略采用表面跟蹤共享力覺(jué)控制任務(wù)空間標(biāo)定技術(shù)將非結(jié)構(gòu)化環(huán)境轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化環(huán)境，通過(guò)人機(jī)交互任務(wù)分析規(guī)劃技術(shù)和人機(jī)共享遙操作輔助功能，實(shí)現(xiàn)工具裝配任務(wù)的共享監(jiān)督控制，以被動(dòng)柔順?lè)绞窖a(bǔ)償裝配誤差。宏觀遙控局部自主裝配策略通過(guò)宏觀遙控操作引導(dǎo)裝配工具與任務(wù)環(huán)境發(fā)生接觸，根據(jù)工具重力補(bǔ)償后的實(shí)際接觸力信息進(jìn)行基于受控Petri網(wǎng)模型的工具裝配過(guò)程離散事件控制，通過(guò)主動(dòng)柔順控制消除裝配位置姿態(tài)偏差。
　　

4、對(duì)表面跟蹤共享力覺(jué)控制任務(wù)空間標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了研究，采用基于球形力探測(cè)頭和給定約束運(yùn)動(dòng)平面的任務(wù)環(huán)境表面跟蹤策略，根據(jù)跟蹤軌跡接觸點(diǎn)受力狀態(tài)分析，提出了位置伺服機(jī)器人表面跟蹤局部自主力控制算法，建立了基于人機(jī)智能協(xié)作的表面跟蹤共享力覺(jué)控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)任務(wù)空間標(biāo)定。通過(guò)基于坐標(biāo)系變換的接觸點(diǎn)測(cè)量算法，精確計(jì)算跟蹤軌跡接觸點(diǎn)的空間位置。采用直接最小二乘擬合算法，對(duì)管道工件表面的橢圓跟蹤軌跡進(jìn)行擬合。提出了針對(duì)管道工件的任務(wù)空間標(biāo)定算法，用于

5、建立滿足管道維修遙控焊接被動(dòng)柔順裝配精度要求的結(jié)構(gòu)化環(huán)境模型。
　　對(duì)于被動(dòng)柔順共享監(jiān)督裝配策略，采用智能分級(jí)思想和基元任務(wù)概念，進(jìn)行人機(jī)交互任務(wù)分析規(guī)劃器設(shè)計(jì)，用于構(gòu)造實(shí)現(xiàn)監(jiān)督控制的基元任務(wù)序列。針對(duì)受限運(yùn)動(dòng)空間裝配任務(wù)，提出了基于平面輔助功能和直線—速度—力輔助功能的人機(jī)共享控制策略，提高了任務(wù)分析規(guī)劃器的適應(yīng)能力。開(kāi)發(fā)了基元任務(wù)編譯器，將監(jiān)督控制高級(jí)指令序列解釋為結(jié)構(gòu)體格式的中間指令序列，進(jìn)而生成機(jī)器人指令序列，以被動(dòng)柔順?lè)?/p>

6、式完成工具裝配任務(wù)。
　　對(duì)基于負(fù)載參數(shù)標(biāo)定的工具重力補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究，在無(wú)接觸只存在重力作用的條件下，通過(guò)工具重力計(jì)算和線性最小二乘進(jìn)行工具負(fù)載參數(shù)標(biāo)定。在此基礎(chǔ)上，提出了用于消除主動(dòng)柔順裝配過(guò)程重力干擾的工具重力補(bǔ)償算法，使重力補(bǔ)償精度滿足工具裝配任務(wù)局部自主力控制的需要。
　　對(duì)于宏觀遙控局部自主裝配策略，在接觸形式描述和接觸狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)造基于受控Petri網(wǎng)的管道工具裝配接觸狀態(tài)離散事件模型，提出了基于狀態(tài)

7、標(biāo)識(shí)檢測(cè)的裝配接觸狀態(tài)變遷識(shí)別方法，設(shè)計(jì)了用于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)柔順工具裝配的離散事件控制器，根據(jù)工具重力補(bǔ)償后的實(shí)際接觸力信息進(jìn)行工具裝配離散事件控制，以主動(dòng)柔順?lè)绞较ぞ哐b配位置姿態(tài)偏差。
　　針對(duì)基于管道替換策略的極限環(huán)境管道維修遙控焊接任務(wù)，分別采用被動(dòng)柔順共享監(jiān)督和宏觀遙控局部自主策略進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化環(huán)境工具裝配實(shí)驗(yàn)。從操作精度、執(zhí)行效率、通用性和可靠性角度進(jìn)行對(duì)比分析的結(jié)果表明，被動(dòng)柔順共享監(jiān)督策略的通用性和可靠性較好，宏觀遙控局