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面向纤维铺放过程的机器人柔顺控制及碰撞检测技术

面向纤维铺放过程的机器人柔顺控制及碰撞检测技术

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作者：郭世超西安电子科技大学

学位级别：硕士

纤维自动铺放技术作为碳纤维复合材料构件的先进制造方法,广泛应用于航空航天制造领域。随着纤维铺放构件形状的复杂化,以工业机器人为主体的自动铺放设备表现出更高的灵活性、高效性等优点被广泛开发应用,因此,建立纤维铺放过程中机器... 详细信息

纤维自动铺放技术作为碳纤维复合材料构件的先进制造方法,广泛应用于航空航天制造领域。随着纤维铺放构件形状的复杂化,以工业机器人为主体的自动铺放设备表现出更高的灵活性、高效性等优点被广泛开发应用,因此,建立纤维铺放过程中机器人安全稳定的柔顺控制策略至关重要。纤维铺放过程中既要保证纤维束能够准确地跟踪铺放轨迹,又要保证铺丝头对纤维层施加恒定的铺放压力。当前纤维铺放机器人控制方法主要采用单纯的位置控制,对铺放压力的恒定控制主要通过末端施压气缸对纤维束施加一定的压紧力。但是随着铺放工件的复杂化,尤其当曲面曲率变化较快时,机器人对纤维束铺放压力的恒定控制和铺放轨迹的精确跟踪效果较差,因此建立系统的主动柔顺控制策略对纤维铺放过程具有重要意义。目前,面向工业机器人的主动柔顺控制方法对各种外部干扰、参数不确定性等因素考虑较少,导致作业过程中稳定性和精度不足。其次,针对复杂环境下的纤维铺放过程,机器人与外界环境可能发生碰撞而且铺丝头可能与芯模之间发生干涉碰撞,这对纤维铺放过程危害性较大。针对以上问题,本文旨在研究面向纤维铺放作业过程中机器人的主动柔顺控制及碰撞检测方法,主要研究内容如下:（1）基于模块化关节搭建纤维铺放机器人的研究模型,并利用D-H参数法建立了机器人的运动学模型,建立机器人在关节空间和末端操作空间的映射关系;利用拉格朗日法建立了纤维铺放机器人在关节空间的动力学模型,建立纤维铺放机器人在关节空间的驱动力与各关节运动之间的动态响应关系。（2）基于纤维铺放过程提出了一种动态柔顺控制策略,不同于单纯的位置控制策略,该控制策略采用鲁棒滑模控制方法实现机器人对铺放轨迹的精确跟踪,采用自适应阻抗控制方法保证纤维层之间的铺放压力作用。实验结果表明建立的动态柔顺控制策略不仅能够保证纤维铺放机器人的稳定工作过程,而且系统具有较强的鲁棒性和抗干扰能力,能够很好地满足纤维铺放过程。（3）考虑到纤维铺放机器人在工作过程中可能面临的环境碰撞力与干涉碰撞力等危险情况,本文基于协作机器人建立了一种无附加传感器的机器人碰撞检测方法,保证了机器人在面对外部碰撞力作用时能够安全停机;考虑到机器人在纤维铺放过程中铺放压力对碰撞观测器的干扰,本文提出了一种铺放压力负载实时补偿策略,实时补偿末端负载对碰撞观测器的影响,保证纤维铺放机器人在工作过程中的安全性;利用Simscape物理模型仿真验证了所提出的碰撞检测方法能够很好地保证纤维铺放过程的安全性和稳定性。

关键词：纤维铺放作业动态柔顺控制鲁棒滑模控制自适应阻抗控制碰撞检测

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