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(yīng)用廣泛，其中機械手運動軌跡控制尤為關(guān)鍵。膠水的易燃性使得機械手氣壓驅(qū)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(qū)動方式組成多自由度機械手，結(jié)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(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用打下堅實的基礎(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)式氣動機械手控制系統(tǒng)。單關(guān)節(jié)（腰部、大臂、小臂）動力機構(gòu)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(jié)合氣動機械手運動學模型，使用基于運動學模型的逆推關(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，提出了適合機械手單關(guān)節(jié)氣動位置伺服系統(tǒng)特點的規(guī)劃軌跡理論指導。
　　關(guān)節(jié)動力學特性是機械手關(guān)節(jié)控制的理論基礎(chǔ)。本文推導了氣動機械手關(guān)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(guān)節(jié)驅(qū)動力矩主要部分，由此根據(jù)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(guān)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(jù)。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(guān)節(jié)的線性化模型。通過機械手關(guān)節(jié)辨識實驗，得到了關(guān)節(jié)辨識模型，經(jīng)過對比，二者低頻段特性相似，理論推導結(jié)果可信。針對氣動系統(tǒng)特性復雜等特點，設(shè)計了基于關(guān)節(jié)線性化模型的機械手單關(guān)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(guān)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(yīng)多任務(wù)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(yīng)，通過疊加正弦顫振信號，使氣缸產(chǎn)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(guān)系，提出了氣動機械手關(guān)節(jié)顫振信號參數(shù)設(shè)計依據(jù)。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(guān)節(jié)及三關(guān)節(jié)聯(lián)動時各關(guān)節(jié)運動跟蹤響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)聯(lián)動時關(guān)節(jié)間的耦合明顯，誤差變大。最后完成了機械手單關(guān)節(jié)特性實驗，結(jié)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(guān)節(jié)間聯(lián)動時存在明顯的耦合。根據(jù)單關(guān)節(jié)比例流量閥控直線氣缸數(shù)學模型，結(jié)合關(guān)節(jié)動力學簡化方程，建立了機械手大小臂雙關(guān)節(jié)動力機構(gòu)耦合動力學關(guān)系，研究了大小臂關(guān)節(jié)的耦合影響，分析了關(guān)節(jié)角加速度對關(guān)節(jié)耦合慣性力矩的關(guān)系。根據(jù)重力

6、補償和實際工況參數(shù)，設(shè)計了解耦補償控制器了雙關(guān)節(jié)解耦補償控制器，該方法對消除機械手關(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(guān)節(jié)多任務(wù)特點所設(shè)計的實時控制系統(tǒng)。綜合關(guān)節(jié)極點配置控制策略控制方法，輔以規(guī)劃軌跡位置關(guān)節(jié)重力矩補償、大小臂解耦補償控制，進行了機械手三關(guān)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