捞渣机器人轨迹规划及跟踪控制研究

作     者：陈洪波 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李宗刚;只炜

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：捞渣机器人 轨迹规划 跟踪控制 多项式 滑膜控制 模糊控制 

摘      要：冶金行业积极响应国家智能制造2025战略,加快推进智能制造与传统制造的深度融合,各产线进行智能化设备改造升级,努力打造无人化、绿色化、智能化示范产线。其中,连续热镀锌产线捞渣机器人的应用,替代了恶劣工况下人工繁重重复的捞渣作业,根据产线实际工艺生产情况,要求捞渣机器人能够连续、平稳、高效运行,且能准确跟踪规划的轨迹进行捞渣作业。因此,本文在捞渣机器人作业过程中的轨迹规划、时间优化及跟踪控制方面进行了研究,研究内容主要包括以下三个方面:(1)针对产线现场特殊的捞渣作业工况,设计了与ABB捞渣工业机器人匹配的捞渣工具斗;结合机器人结构特征设计了防热辐射隔热板。对捞渣机器人及周围环境进行坐标系标定,并建立机器人矩阵变换方程。根据捞渣机器人各个连杆结构参数构建标准D-H型参数表,在Matlab软件中建立捞渣机器人仿真模型。对捞渣机器人进行了运动学方程分析和求解,并调用Matlab中内附的Robotics Toolbox相关函数进行仿真验证。(2)为了避免捞渣作业对锌液面产生扰动,利用多项式函数算法计算过程简单、快捷,且方便确定运行轨迹的边界状态等诸多优点,采用三段低次多项式“拼接方式进行关节空间捞渣机器人轨迹规划设计。通过仿真验证了该算法能够使得捞渣机器人捞渣运行轨迹的位置、速度和加速度连续平稳,满足产线严格控制锌液面稳定性的工艺要求。另外,为了缩短捞渣机器人关节空间捞渣作业运动时间,提高了机器人的工作效率。采用粒子群智能优化算法以捞渣机器人各关节运动参数极限值为约束条件,并把捞渣作业运行时间最短作为轨迹优化目标进行优化。通过仿真表明机器人捞渣过程轨迹规划时间能够完成预期优化。(3)针对捞渣机器人在清理锌锅沿边固结锌渣时,捞渣工具斗易与锅沿发生剐蹭事故,影响机器人的捞渣作业效率。设计了基于模糊变参数自适应的滑模轨迹跟踪控制器,研究了模糊控制算法在滑模控制器参数自适应调节上的应用,通过设计模糊规则和解模糊化对控制增益进行补偿,从而达到参数自适应系统扰动和误差变化的目的。通过仿真显示此算法能够提升捞渣机器人清理锌锅沿边固结锌渣的捞渣轨迹跟踪控制精度,稳定了连续热镀锌线正常生产。