人机协作幕墙安装机器人轨迹规划及柔顺控制方法研究

作     者：王建军 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜付鑫

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：人机协同作业 幕墙安装机器人 动态运动基元 导纳控制 

摘      要：随着建筑业的快速发展,大型高层建筑拔地而起,建筑施工面临的工作人员老龄化、工人劳动强度大、危险性大、施工效率低且施工质量难以得到保障等问题逐渐凸显。涉及大型幕墙的安装,更是需要多名工人协同作业,危险性高,事故频发。本课题在国家自然科学基金委联合基金支持下,基于人机协同作业理念,研制幕墙安装机器人系统,并对控制系统的稳定性、协同作业的柔顺性进行改进,开展建筑施工的智能化研究,推进机器人技术在建筑施工行业的实用化。本文对比分析干挂石材幕墙行业中使用的挂件,分析干挂石材幕墙的传统安装流程与施工工艺,归纳、总结传统建筑施工中亟待解决的问题,提出一套适用于人机协同作业的幕墙安装工艺流程。采用合适的人机系统思想,设计一种适用于高空安装幕墙的人-机器人协同作业系统,并设计合理的机器人电气控制系统,为幕墙板材安装的控制奠定基础。然后,基于动态运动基元原理规划机器人的作业轨迹。根据人机协同安装幕墙策略,针对同一作业任务进行多次示教,采用快速傅里叶变换算法分析每条示教轨迹的参与权重,并规划出机器人的作业轨迹。使用动态运动基元算法,对规划出的作业轨迹进一步进行学习与泛化,使得经过规划的轨迹更具普适性。而后,搭建机器人变导纳控制模型,使用神经网络对导纳控制器参数进行预测。通过对人机协同作业系统的稳定性分析,获取导纳参数的可调节范围,并采用双六维力传感器耦合作业方式来确保机器人能够安全作业。对比分析BP神经网络与RBF神经网络在预测导纳参数中的绝对误差和相对误差。借助MATLAB/Simulink软件,对本文所提出的导纳控制模型进行仿真与结果分析。最后,进行了人机协作系统的随动性能验证实验,机器人轨迹泛化实验以及精细安装幕墙实验,验证了本文所提出方法应用于人机协同安装幕墙系统的合理性,提高了控制系统的操作柔顺性。