遥控焊接力觉遥示教技术研究

论文摘要

在核设施修复、空间站装配和海洋工程建设等需要焊接环境,人类的生存条件十分恶劣,需要有人参与进行遥控焊接,遥控示教是遥控焊接的关键技术之一。传统的焊接机器人示教通常是利用示教盒(或示教棒)进行在线示教,这种在线示教法比较直观,但在遥控焊接环境操作人员无法到达焊接现场,通过立体视觉辅助示教,由于视觉误差,示教精度较低,不能满足遥控焊接工艺要求。激光视觉传感能够获取焊缝轮廓信息,反馈给机器人控制器实时调整焊枪位姿跟踪焊缝。但也无法适应所有遥控焊接环境,如工件表面状态对激光辅助示教有一定影响,不规则焊缝特征点提取困难,所以希望开发新的遥示教方法,以便解决不同遥控焊接条件下遥示教问题。将力觉引入遥控焊接遥示教中,与立体视觉配合,能够完成遥控焊接遥示教任务,且信息处理不复杂,不受环境(光、烟、气雾、色彩等)的干扰,在激光视觉遥示教看不清场合仍可能“摸”得出,系统结构简单,成本低,反应灵敏度高,力觉传感与焊缝直接接触,示教精度高,为此本文提出了“遥控焊接力觉遥示教技术”的研究,通过力觉遥示教焊缝辨识模型和自适应控制模型,实现遥示教局部自适应控制,通过共享技术和视觉临场感实现人对遥控焊接遥示教宏观全局监控。通过对激光辅助传感遥示教分析,提出建立力觉遥示教必要性,建立力觉遥示教硬件系统,提出了六维力传感器探针选择原则,分析了六维力传感器解耦原理,通过力传感器空间位置变化六维力值测定,确定六维力传感器空间变化盲区和焊缝辨识六维接触力阈值,完成了六维力传感器标定,为力觉遥示教创造条件。为解决探针与工件接触力调整稳定性问题,建立了遥示教接触力仿人柔性控制模型。通过对遥示教的探针与焊接环境接触力分析,提出了遥控焊接接触力分段控制策略,异常情况的接触力稳定性监控决策算法,任务自适应仿人智能算法;实现了遥示教接触力仿人智能控制特征辨识、特征记忆、多模态控制和多目标决策,减小接触力振荡幅值,缩短接触力稳定时间,提高了遥示教探针与焊接工件之间力交互作用下的操作稳定性。为克服由于机器人的振动、焊缝表面粗糙不平和电磁场干扰等因素,造成焊缝辨识力信号不稳,根据焊缝辨识受力信号变化分析,提出了用卡尔曼滤波递推方法对焊缝辨识受力信号进行的滤波处理,建立焊缝受力信号滤波

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景
• 1.2 力觉控制应用概述
• 1.2.1 机器人力觉研究现状
• 1.2.2 遥操作力觉研究现状
• 1.2.3 遥控焊接力觉研究现状
• 1.3 焊接机器人示教研究现状
• 1.3.1 直接示教
• 1.3.2 离线示教
• 1.3.3 虚拟示教
• 1.3.4 机器人示教力/位置控制策略概述
• 1.4 力觉示教控制中的关键问题
• 1.4.1 示教位置伺服
• 1.4.2 碰撞冲击及稳定性
• 1.4.3 未知环境的约束
• 1.5 遥控焊接力觉遥示教必要性
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 遥控焊接力觉遥示教系统
• 2.1 引言
• 2.2 遥控焊接力觉遥示教系统
• 2.3 六维力传感器硬件构成
• 2.3.1 六维力传感器
• 2.3.2 六维力传感器探针选择原则
• 2.4 六维力传感器解耦原理
• 2.5 焊缝辨识六维接触力阈值标定
• 2.5.1 力传感器空间位置变化六维力盲区标定
• 2.5.2 焊缝辨识六维接触力阈值标定
• 2.6 六维力传感器探针标定
• 2.6.1 机器人与变位机相对位姿的标定
• 2.6.2 六维力传感器探针标定
• 2.7 本章小结
• 第3章 力觉遥示教接触力仿人柔性控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 遥示教接触力仿人智能控制模型
• 3.2.1 仿人智能控制原理
• 3.2.2 遥示教接触力状态分析
• 3.2.3 遥示教接触力仿人智能运动控制级控制
• 3.2.4 遥示教接触力仿人智能参数校正级控制
• 3.3 遥示教接触力柔性控制策略
• 3.3.1 遥示教接触力分段控制策略
• 3.3.2 遥示教接触力异常情况的稳定性监控决策算法
• 3.3.3 遥示教接触力自适应仿人智能算法
• 3.4 遥示教接触力柔性控制试验
• 3.5 本章小结
• 第4章 遥控焊接力觉遥示教焊缝辨识模型
• 4.1 引言
• 4.2 基于力觉焊缝辨识模型
• 4.2.1 焊缝搜寻辨识模型
• 4.2.2 焊缝示教过程辨识模型
• 4.3 特殊焊缝辨识模型
• 4.3.1 ∪型焊缝搜寻辨识模型
• 4.3.2 薄板对接焊缝搜寻辨识模型
• 4.3.3 搭接焊缝搜寻辨识模型
• 4.3.4 垂直角接焊缝搜寻辨识模型
• 4.4 基于辨识模型V 型焊缝辩识试验
• 4.5 本章小结
• 第5章 遥控焊接力觉遥示教自适应控制技术
• 5.1 引言
• 5.2 遥示教六维力信号数据融合技术
• 5.2.1 焊缝受力信号卡尔曼滤波数学模型
• 5.2.2 焊缝受力信号卡尔曼滤波试验
• 5.3 力觉遥示教搜索进给顺应控制技术
• 5.4 焊缝搜寻过程点间状态变迁技术
• 5.5 力觉遥示教过程点间状态变迁技术
• 5.5.1 力觉遥示教点间变迁方向控制
• 5.5.2 摩擦力对遥示教点间变迁方向影响
• 5.6 基于辨识模型力觉遥示教位姿确定
• 5.6.1 基于辨识模型力觉遥示教位置确定
• 5.6.2 力觉遥示教点姿态几何平面法
• 5.7 特殊焊缝力觉遥示教位姿确定
• 5.7.1 薄板对接坡口力觉遥示教点位姿
• 5.7.2 搭接和垂直角接坡口力觉遥示教点位姿
• 5.8 力觉遥示教自适应控制试验
• 5.8.1 基于辨识模型S 型焊缝位置辩识试验
• 5.8.2 角接焊缝力觉遥示教姿态自适应辩识试验
• 5.9 本章小结
• 第6章 基于共享力觉遥示教焊缝辨识策略
• 6.1 引言
• 6.2 自主与遥控结合的共享控制系统
• 6.3 基于共享力觉遥示教焊缝辨识平台
• 6.4 力觉遥示教共享控制模式的设定
• 6.5 基于共享力觉遥示教实验
• 6.5.1 力觉遥示教点位姿计算实验
• 6.5.2 力觉遥示教拐点处理实验
• 6.5.3 基于共享半盒形试件力觉遥示教实验
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历