机器人遥控焊接非结构化环境力觉辅助装配策略研究

论文摘要

核环境设备修复、海洋工程水下施工、空间站建设维护以及地下管道维修等极限环境任务,需要操作者在远离工作现场的安全环境中,根据现场反馈的传感信息对焊接设备和焊接过程进行远程监视和控制,实现遥控焊接。对于极限环境管道裂纹修复任务,采用基于管道替换策略的机器人遥控焊接维修方案具有很好的应用前景。本文针对基于力觉传感控制的非结构化环境装配策略进行研究,用于实现管道替换遥控焊接方案中涉及的作业工具装配操作,为机器人遥控焊接技术在极限环境管道维修领域的实际应用奠定基础。根据管道替换遥控焊接方案中工具装配操作的过程特点,设计开发了基于开放式位置伺服机器人、六维力/力矩传感器和力反馈操纵杆的机器人遥控焊接力觉传感控制系统,作为表面跟踪共享力觉控制和工具装配主动柔顺控制等力觉传感控制关键技术的研究平台。力觉传感控制技术是机器人遥控焊接非结构化环境装配策略研究的核心问题。通过对遥控焊接任务空间和人机智能分配模式的分析,提出了被动柔顺共享监督和宏观遥控局部自主两类非结构化环境装配策略。被动柔顺共享监督装配策略采用表面跟踪共享力觉控制任务空间标定技术将非结构化环境转化为结构化环境,通过人机交互任务分析规划技术和人机共享遥操作辅助功能,实现工具装配任务的共享监督控制,以被动柔顺方式补偿装配误差。宏观遥控局部自主装配策略通过宏观遥控操作引导装配工具与任务环境发生接触,根据工具重力补偿后的实际接触力信息进行基于受控Petri网模型的工具装配过程离散事件控制,通过主动柔顺控制消除装配位置姿态偏差。对表面跟踪共享力觉控制任务空间标定技术进行了研究,采用基于球形力探测头和给定约束运动平面的任务环境表面跟踪策略,根据跟踪轨迹接触点受力状态分析,提出了位置伺服机器人表面跟踪局部自主力控制算法,建立了基于人机智能协作的表面跟踪共享力觉控制系统,用于实现任务空间标定。通过基于坐标系变换的接触点测量算法,精确计算跟踪轨迹接触点的空间位置。采用直接最小二乘拟合算法,对管道工件表面的椭圆跟踪轨迹进行拟合。提出了针对管道工件的任务空间标定算法,用于建立满足管道维修遥控焊接被动柔顺装配精度要求的结构化环境模型。对于被动柔顺共享监督装配策略,采用智能分级思想和基元任务概念,进行人机交互任务分析规划器设计,用于构造实现监督控制的基元任务序列。针对受限运动空间装配任务,提出了基于平面辅助功能和直线—速度—力辅助功能的人机共享控制策略,提高了任务分析规划器的适应能力。开发了基元任务编译器,将监督控制高级指令序列解释为结构体格式的中间指令序列,进而生成机器人指令序列,以被动柔顺方式完成工具装配任务。对基于负载参数标定的工具重力补偿技术进行了研究,在无接触只存在重力作用的条件下,通过工具重力计算和线性最小二乘进行工具负载参数标定。在此基础上,提出了用于消除主动柔顺装配过程重力干扰的工具重力补偿算法,使重力补偿精度满足工具装配任务局部自主力控制的需要。对于宏观遥控局部自主装配策略,在接触形式描述和接触状态分析的基础上,构造基于受控Petri网的管道工具装配接触状态离散事件模型,提出了基于状态标识检测的装配接触状态变迁识别方法,设计了用于实现主动柔顺工具装配的离散事件控制器,根据工具重力补偿后的实际接触力信息进行工具装配离散事件控制,以主动柔顺方式消除工具装配位置姿态偏差。针对基于管道替换策略的极限环境管道维修遥控焊接任务,分别采用被动柔顺共享监督和宏观遥控局部自主策略进行非结构化环境工具装配实验。从操作精度、执行效率、通用性和可靠性角度进行对比分析的结果表明,被动柔顺共享监督策略的通用性和可靠性较好,宏观遥控局部自主策略的操作精度和执行效率较高。针对机器人遥控焊接非结构化环境力觉辅助装配策略的研究工作为解决遥控焊接管道维修涉及的工具装配操作问题提供了切实可行的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 机器人力控制研究现状
• 1.2.1 机器人柔顺性及力控制研究回顾
• 1.2.2 经典力控制策略
• 1.2.3 工业机器人力控制策略
• 1.3 机器人遥操作力觉传感控制研究现状
• 1.3.1 机器人遥操作力觉临场感技术
• 1.3.2 机器人遥操作共享力觉控制
• 1.4 遥控焊接力觉传感控制研究现状
• 1.4.1 机器人遥控焊接技术
• 1.4.2 遥控焊接力觉传感控制技术
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 机器人遥控焊接力觉传感控制系统
• 2.1 管道替换遥控焊接任务方案
• 2.2 遥控焊接装配策略分析
• 2.2.1 遥控焊接任务空间分析
• 2.2.2 人机智能分配模式分析
• 2.2.3 装配策略分析
• 2.3 力觉传感控制系统设计
• 2.3.1 硬件系统
• 2.3.2 软件系统
• 2.4 工具重力补偿
• 2.4.1 工具重力计算
• 2.4.2 工具负载参数标定算法及实验
• 2.4.3 工具重力补偿算法及实验
• 2.5 本章小结
• 第3章 表面跟踪任务空间标定技术研究
• 3.1 表面跟踪局部自主力控制
• 3.2 表面跟踪共享力觉控制
• 3.2.1 双向力反馈控制
• 3.2.2 共享力觉控制
• 3.3 任务空间标定
• 3.3.1 接触点精确空间位置测量
• 3.3.2 管道工件椭圆跟踪轨迹拟合
• 3.3.3 管道工件任务空间标定
• 3.4 任务空间标定实验
• 3.4.1 实验结果
• 3.4.2 标定精度分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 被动柔顺共享监督装配策略研究
• 4.1 人机交互任务分析规划技术
• 4.1.1 人机交互任务分析规划器设计
• 4.1.2 人机交互任务分析规划器实现
• 4.1.3 管道维修遥控焊接基元任务规划
• 4.2 工具更换监督控制
• 4.2.1 工具架标定
• 4.2.2 工具更换基元任务规划
• 4.2.3 工具更换监督控制实验
• 4.3 遥操作辅助功能
• 4.3.1 平面辅助功能
• 4.3.2 直线—速度—力辅助功能
• 4.4 基元任务编译器
• 4.4.1 结构体指令解释
• 4.4.2 目标代码生成
• 4.5 被动柔顺共享监督工具装配实验
• 4.6 本章小结
• 第5章 宏观遥控局部自主装配策略研究
• 5.1 装配接触状态分析
• 5.1.1 接触形式描述
• 5.1.2 接触状态分析
• 5.2 离散事件受控Petri 网模型
• 5.2.1 受控Petri 网理论
• 5.2.2 装配接触状态离散事件模型
• 5.3 状态变迁识别和离散事件控制
• 5.3.1 装配接触状态变迁识别
• 5.3.2 装配接触状态离散事件控制
• 5.4 宏观遥控局部自主工具装配实验
• 5.5 本章小结
• 第6章 管道维修遥控焊接装配实验
• 6.1 管道维修遥控焊接实验
• 6.2 被动柔顺共享监督装配实验
• 6.2.1 共享力觉控制任务空间标定
• 6.2.2 人机交互任务分析规划
• 6.2.3 受限任务空间辅助遥操作
• 6.3 宏观遥控局部自主装配实验
• 6.4 装配策略对比分析
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 创新点
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的相关学术论文
• 致谢
• 个人简历