崎嶇地面環(huán)境下氣動(dòng)多自由度機(jī)械手的末端位置控制研究.pdf

1、隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，越來越多的機(jī)器人出現(xiàn)在各種領(lǐng)域，如有：焊接機(jī)器人，搬運(yùn)機(jī)器人，噴涂機(jī)器人，采摘機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人等。其中不乏需要在特殊工況下工作的應(yīng)用型機(jī)器人，需要在滿足特定的工作任務(wù)的同時(shí)，兼顧防爆、防腐蝕等功能。同時(shí)，由于測(cè)控技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動(dòng)比例位置控制系統(tǒng)的控制精度得到進(jìn)一步提高。另一方面，氣動(dòng)系統(tǒng)有良好的柔順性，兼具有干凈、輕巧、安全和成本相對(duì)低廉的優(yōu)點(diǎn)，使其適用于在一些特殊環(huán)境下工作。進(jìn)而使得氣動(dòng)機(jī)械手以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

2、、無污染、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)業(yè)采摘和噴涂等領(lǐng)域有發(fā)展空間。
　　氣動(dòng)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性和參數(shù)時(shí)變性，帶來的低剛度和時(shí)滯性使得其在精確的位置控制中難以達(dá)到期望的效果。具體而言，系統(tǒng)的質(zhì)量參數(shù)等無法明確，質(zhì)量流量方程的數(shù)學(xué)模型具有不確定性和強(qiáng)非線性，壓力方程也具有未知非線性。另外，摩擦力建模復(fù)雜，線性化困難，將影響氣動(dòng)比例位置控制系統(tǒng)的精度。
　　本文中設(shè)計(jì)了一種多自由度氣動(dòng)機(jī)械手，并搭建六自由度電動(dòng)仿真平臺(tái)來模擬崎嶇地面環(huán)境

3、。當(dāng)氣動(dòng)機(jī)械手被運(yùn)用在行走機(jī)械上，變化的路面環(huán)境會(huì)對(duì)機(jī)械手末端點(diǎn)控制帶來困難。因此，對(duì)氣動(dòng)多自由度機(jī)械手在崎嶇路面環(huán)境下的末端位置控制具有現(xiàn)實(shí)意義。通過搭建六自由度并聯(lián)平臺(tái)來模擬崎嶇地面環(huán)境，設(shè)計(jì)氣動(dòng)多自由度機(jī)械手，提出帶壓力補(bǔ)償?shù)哪：刂品椒?，通過Simulink與AMESim的聯(lián)合仿真分析，驗(yàn)證了帶壓力補(bǔ)償?shù)哪：刂扑惴▽?duì)氣動(dòng)機(jī)械手控制的有效性。
　　本文開展了如下的具體研究工作：
　　首先，按照機(jī)械手的工作目標(biāo)，完成了

4、一個(gè)基于氣動(dòng)比例控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的多自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)。通過AutoCAD軟件生成二維圖紙，并在 UG中完成了氣動(dòng)機(jī)械手的三維建模工作和初步運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。另外，搭建六自由度平臺(tái)來模擬崎嶇路面環(huán)境，提出具體性能參數(shù)指標(biāo)，完成六自由度模擬平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在 UG中完成三維建模模型，并在Simulink中搭建平臺(tái)的仿真模型，得到在理想加載情況下的各個(gè)缸的位移曲線。
　　其次，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)比例控制系統(tǒng)，并根據(jù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行氣缸驅(qū)動(dòng)力分析，從而完成

5、了氣動(dòng)元件的選型工作。根據(jù)氣動(dòng)系統(tǒng)的線性化假設(shè)條件，建立氣動(dòng)比例位置控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了典型閥控缸系統(tǒng)和基于閥口壓力獨(dú)立控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及系統(tǒng)方框圖。
　　再次，建立了氣動(dòng)多自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并推導(dǎo)了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)氣動(dòng)多自由度機(jī)械手進(jìn)行了正解，逆解分析。結(jié)合六自由度平臺(tái)，分析了基于動(dòng)坐標(biāo)系中，氣動(dòng)多自由度機(jī)械手的末端手爪運(yùn)動(dòng)規(guī)律。并分析了使得機(jī)械手能夠克服崎嶇路面環(huán)境，在變換的動(dòng)坐標(biāo)系情況下，保持靜坐標(biāo)系中

6、末端點(diǎn)的位置不變的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
　　接著，根據(jù)六自由度平臺(tái)和氣動(dòng)多自由度機(jī)械手的具體參數(shù)，在AMESim中搭建了氣動(dòng)比例控制系統(tǒng)模型，并在Matlab/Simulink中編寫控制策略?；贏MESim、Simulink軟件，開展了氣動(dòng)機(jī)械手的聯(lián)合仿真，得到了適合該氣動(dòng)多自由度機(jī)械手的控制策略。針對(duì)位置PID控制進(jìn)行改進(jìn)，添加氣缸兩腔內(nèi)壓力補(bǔ)償，完成了負(fù)載口獨(dú)立控制策略的仿真。同時(shí)，考慮到氣動(dòng)模型建立的復(fù)雜性，采用模糊控制進(jìn)行實(shí)