崎嶇地面環(huán)境下氣動多自由度機械手的末端位置控制研究.pdf

1、隨著工業(yè)4.0時代的到來，越來越多的機器人出現(xiàn)在各種領(lǐng)域，如有：焊接機器人，搬運機器人，噴涂機器人，采摘機器人和服務(wù)機器人等。其中不乏需要在特殊工況下工作的應(yīng)用型機器人，需要在滿足特定的工作任務(wù)的同時，兼顧防爆、防腐蝕等功能。同時，由于測控技術(shù)的迅速發(fā)展，氣動比例位置控制系統(tǒng)的控制精度得到進一步提高。另一方面，氣動系統(tǒng)有良好的柔順性，兼具有干凈、輕巧、安全和成本相對低廉的優(yōu)點，使其適用于在一些特殊環(huán)境下工作。進而使得氣動機械手以結(jié)構(gòu)簡單

2、、無污染、高性價比等優(yōu)點在農(nóng)業(yè)采摘和噴涂等領(lǐng)域有發(fā)展空間。
　　氣動系統(tǒng)具有較強的非線性和參數(shù)時變性，帶來的低剛度和時滯性使得其在精確的位置控制中難以達到期望的效果。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，將影響氣動比例位置控制系統(tǒng)的精度。
　　本文中設(shè)計了一種多自由度氣動機械手，并搭建六自由度電動仿真平臺來模擬崎嶇地面環(huán)境

3、。當氣動機械手被運用在行走機械上，變化的路面環(huán)境會對機械手末端點控制帶來困難。因此，對氣動多自由度機械手在崎嶇路面環(huán)境下的末端位置控制具有現(xiàn)實意義。通過搭建六自由度并聯(lián)平臺來模擬崎嶇地面環(huán)境，設(shè)計氣動多自由度機械手，提出帶壓力補償?shù)哪：刂品椒?，通過Simulink與AMESim的聯(lián)合仿真分析，驗證了帶壓力補償?shù)哪：刂扑惴▽鈩訖C械手控制的有效性。
　　本文開展了如下的具體研究工作：
　　首先，按照機械手的工作目標，完成了

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

5、了氣動元件的選型工作。根據(jù)氣動系統(tǒng)的線性化假設(shè)條件，建立氣動比例位置控制系統(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，建立了氣動多自由度機械手的運動學(xué)模型，并推導(dǎo)了機械手的運動學(xué)方程，對氣動多自由度機械手進行了正解，逆解分析。結(jié)合六自由度平臺，分析了基于動坐標系中，氣動多自由度機械手的末端手爪運動規(guī)律。并分析了使得機械手能夠克服崎嶇路面環(huán)境，在變換的動坐標系情況下，保持靜坐標系中

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