插接管道焊縫檢測(cè)機(jī)器人掃查軌跡規(guī)劃及控制的研究.pdf

1、針對(duì)插接管道的相貫線焊縫掃查軌跡特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種7自由度的焊縫掃查機(jī)器人。該機(jī)器人安裝在具有剖分式、變直徑、自動(dòng)對(duì)心等特點(diǎn)的管道夾具上，根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了兩臺(tái)管道夾具，以分別適應(yīng)100～200mm、200～400mm的管道直徑。與管道夾具對(duì)心連接部位，設(shè)計(jì)了一種可驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)的大轉(zhuǎn)盤，大轉(zhuǎn)盤上安裝著具備三個(gè)位置自由度與三個(gè)姿態(tài)自由度的機(jī)器人手臂。該機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)設(shè)有一種電機(jī)卸載軸承座，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)輸出扭矩與彎矩

2、的分離。該機(jī)器人系統(tǒng)采用上位機(jī)(工控機(jī))/下位機(jī)(單片機(jī))、單片機(jī)/步進(jìn)電機(jī)控制器復(fù)合控制驅(qū)動(dòng)方法，通過(guò)上位機(jī)的軟件控制實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手動(dòng)、自動(dòng)與復(fù)位控制功能。 基于齊次坐標(biāo)變換與D-H約定關(guān)系，通過(guò)幾何法求解了與相貫線掃查參數(shù)相關(guān)聯(lián)的機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題?；诠艿老嘭灳€表面探塊掃查的幾何特點(diǎn)，為確定末端探塊位置與姿態(tài)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種與通用機(jī)器人歐拉角變換功能類似的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法。通過(guò)引入冗余降解參數(shù)y、掃查半徑R、被掃管道半徑Rb

3、和管道安裝高度h等參數(shù)，建立了機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解模型。 基于病毒遺傳算法(VEGA)建立了插接管道焊縫掃查機(jī)器人以最小能量?jī)?yōu)化為目標(biāo)的綜合軌跡規(guī)劃算法，在機(jī)器人冗余度空間內(nèi)確定了綜合性能最優(yōu)的關(guān)節(jié)姿態(tài)。研究了算法需滿足的四大限定條件：肘點(diǎn)障礙碰撞回避條件，任務(wù)空間內(nèi)軌跡掃描精度條件，機(jī)器人極限安裝高度限制條件，包含速度與關(guān)節(jié)力矩的動(dòng)力學(xué)限制條件。對(duì)插接管道焊縫掃查機(jī)器人能量最小軌跡的VEGA計(jì)算仿真結(jié)果表明：機(jī)器人最末連桿L3處

4、于鉛垂?fàn)顟B(tài)的軌跡所消耗的能量為最小。本算法無(wú)需進(jìn)行機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，避開(kāi)了冗余機(jī)器人必須求解偽逆矩陣及奇異點(diǎn)等難點(diǎn)。 在笛卡兒空間連續(xù)軌跡規(guī)劃問(wèn)題框架內(nèi)，研究了末端位置誤差受限條件下機(jī)器人軌跡所需最小插值節(jié)點(diǎn)的規(guī)劃模型。在傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃二分算法(BA)的基礎(chǔ)上提出了一種新的繼承二分算法(IBA)。IBA分為兩個(gè)步驟：第一步是進(jìn)行低位置精度的一次節(jié)點(diǎn)BA規(guī)劃，第二步是繼承第一次規(guī)劃結(jié)果的高位置精度二次BA節(jié)點(diǎn)規(guī)劃。仿真結(jié)果表明：I

5、BA所需的IKC(逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解)次數(shù)要少于BA所需的IKC次數(shù)，在位置控制精度較高的場(chǎng)合采用IBA算法能夠有效提高控制節(jié)點(diǎn)規(guī)劃的計(jì)算效率，從而有利于提高實(shí)時(shí)控制的控制效率。 給出并證明了一種主動(dòng)可控關(guān)節(jié)與被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)相配合、內(nèi)環(huán)與外環(huán)控制相分離的串聯(lián)機(jī)器人位置/力控制方法。這種控制方法的核心是將機(jī)器人主動(dòng)關(guān)節(jié)部分劃分為可控的內(nèi)環(huán)控制部分，被動(dòng)關(guān)節(jié)的控制需要通過(guò)主動(dòng)關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)來(lái)間接實(shí)現(xiàn)，被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)的控制是控制系統(tǒng)中的外環(huán)控制部分

6、，其功能為：提供并成為主動(dòng)關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)中的輸入量。采用位控與力控分離、主動(dòng)與被動(dòng)分離的方法提出了位置/力串行控制策略，并建立了插接管道焊縫掃查機(jī)器人位置/力控制問(wèn)題模型。仿真研究了分度角分別為0°、30°、60°與90°所對(duì)應(yīng)的圓、橢圓及直線的截面線軌跡掃查控制情況，結(jié)果表明存在初始偏差擾動(dòng)的機(jī)器人，經(jīng)過(guò)位置與力控制后都能到達(dá)預(yù)定的位置并滿足力控制要求，從而證明了整個(gè)控制策略的有效性。 模擬核電站插接管道焊縫掃查環(huán)境進(jìn)行了機(jī)