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原文传递用于船体焊接的细长杆机械臂的轨迹规划与控制方法研究

论文题名：	用于船体焊接的细长杆机械臂的轨迹规划与控制方法研究
关键词：	龙门式机械臂;细长连杆;轨迹规划;船体焊接;PD控制器
摘要：	大型龙门式机械臂是船体焊接作业过程中的重要设备，自动化焊接技术的提升离不开对该机械臂的研究和优化。随着船舶功能的升级以及复杂结构的增加，在纵横骨架限制的狭窄空间中连续作业的任务对机械臂提出了更高的要求。将龙门式机械臂的垂直连杆设计为细长连杆一方面可以满足船体建造过程中大范围焊接作业的要求，另一方面细长连杆的尺寸小、体积小、运动灵活，使得机械臂末端焊枪更容易深入到一些狭窄的空间中执行焊接任务，可以在多场景下进行自动化作业，提高船舶建造效率，在未来具有广阔的应用前景。但是细长杆结构的抗弯刚度相对较小，在受到惯性力作用后容易发生形变和振动，影响到机械臂末端焊枪跟踪焊缝的精度，严重时会导致无法作业、碰撞或其他事故，因此，带有细长杆的龙门式机械臂的稳定性研究对该机械臂的应用、推广和发展意义深远。　　本文以自主研发的带有细长连杆结构的龙门式机械臂作为研究对象，从机械臂动力学建模、关节空间轨迹规划及优化和抑制振动的控制器设计三个方面出发，研究了提高机械臂末端轨迹跟踪精度和抑制细长连杆振动的方法，并结合仿真分析和实验分析对提出的方法进行了验证，主要的研究内容总结如下：　　首先在牛顿欧拉法的基础上，使用欧拉伯努利梁理论建立了细长连杆的形变运动方程，分别推导了带有细长连杆和普通刚性连杆的关节在旋转运动和平移运动下的动力学方程，完善了两种关节连杆间力和运动的递推关系，进而通过递推计算建立了整个机械臂系统的动力学模型，使得建立好的模型具有良好的扩展性，为后续轨迹规划方法与运动控制方法的设计提供支撑。　　随后研究和提出了一种基于摆线修正的梯形加速度曲线用于关节空间中点到点的轨迹规划，该曲线的4阶导数连续并且4阶导数在首末点为0，用该曲线生成的轨迹在两点之间和多点之间都具有高度的光滑性，避免激发细长连杆的振动；同时该曲线计算简单，仅需确定3个参数便可计算得到完整的轨迹。然后设计了抑制细长连杆振动和节省运动时间的实时轨迹优化方法，提出使用局部振动能来描述细长连杆的振动情况，使用杜哈梅积分法直接计算得到局部振动能与轨迹参数的关系，并推导出使局部振动能取得最小值的轨迹参数取值范围，简化了计算过程；给出了常见的六种工作场景中的轨迹计算方法，针对轨迹参数的特点设计了基于梯度计算方法的参数独立迭代优化方法，该方法计算耗时短，可以实现对轨迹的实时优化。　　随后为了在控制方法中更好地主动抑制细长连杆的振动、提高轨迹跟踪精度，提出了一种用代理（proxy）方法改进的自适应分层滑模控制方法，将整个系统分为关节位移子系统和细长连杆振动子系统，同时控制两个子系统跟随各自的目标，随后结合代理的思想将PD控制器引入到滑模非线性切换项与两个子系统之间，形成缓冲，在系统状态与理想状态误差较小时提高系统跟踪的快速性和稳定性，减小系统超调，有利于抑制细长连杆的振动。考虑到非线性因素的影响是导致细长杆振动的一个重要因素，设计了RBF网络来补偿细长杆高阶模态的影响，设计了基于LuGre模型的观测器来观测摩擦力的变化，并通过自适应的方法减小了参数不确定性带来的估计偏差，提高了系统的稳定性。推导过程中使用李雅普诺夫方程证明了控制方法的渐进收敛性，最后仿真和实验均验证了提出的控制方法的收敛性和有效性。　　最后通过自主设计的带有细长连杆的龙门式机械臂样机对本文提出的方法进行验证，相比常用的梯形速度轨迹和DoubleS轨迹，基于摆线修正的梯形加速度轨迹使细长杆末端的最大位移误差分别减少了64.62%和30.23%；相比于常用的滑模控制方法，代理方法改进的自适应分层滑模方法使细长杆末端最大位移误差减少了29.78%，证明了本文提出的轨迹规划与优化方法、控制方法可以有效提高细长杆机械臂运行过程中的稳定性。
作者：	许晨光
专业：	海洋技术与工程
导师：	冷建兴;吴大转;沈林维;刘硕
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2022