宏—微机器人管道遥控焊接的自适应力控制研究

论文摘要

核环境下的管道裂纹修复是核安全工程面临的突出问题,核电站在整个生命周期中都需要定期检查和维修。由于核环境的辐射,需要采用遥控焊接维修管路,而通用的机器人遥控焊接系统能够应对突发的管道裂纹维修任务,具有更好的工程应用前景。宏-微机器人遥操作系统的结构形式适合于核环境下的应用,但由于人不能进入现场,如何实现自主装配和自主焊接是当前面临的主要问题。本文采用宏-微机器人遥操作进行核环境下的管道裂纹遥控焊接修复,重点对宏机器人和微机器人之间的力控制及微机器人和焊接环境的力控制进行研究,采用自适应力控制的方法和人机共享控制策略,实现遥控焊接中的快速自主装配。开发了变参数的自适应力控制算法,实现宏-微机器人管道遥控焊接的焊前自主装配。在自主装配中引入人的高智能因素,提出了基于自由度共享和控制权共享的人机共享控制策略。人机共享策略提高了系统处理外部干扰的能力,增强了宏-微机器人遥控焊接的环境适应性。分析探讨了宏-微机器人的重力补偿和惯性补偿问题。微机器人的重力影响宏-微机器人的力控制精度,采用改进的重力补偿算法消除微机器人自身重力对实际接触力的影响。根据牛顿-欧拉迭代的动力学算法计算微机器人自身惯性对宏-微机器人运动的影响,补偿在机器人运动过程中微机器人产生的惯性力。设计了焊接参数控制器,采用分段参数的全位置焊接方法在焊接不同位置输出不同参数,实现了焊接参数的远程控制。开发了适用于圆形管道全位置焊的焊缝对中补偿算法,实现了焊枪的横向运动控制。最后进行了遥控焊接实验,实验结果表明,宏-微机器人遥操作实现了自主装配和自主焊接,系统适应性强,焊枪沿焊缝跟踪的精度高,焊缝正反面成形均匀美观,熔透情况良好,焊接质量较高。

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 机器人遥控焊接国内外研究现状
• 1.3 宏-微机器人遥操作技术研究现状
• 1.4 机器人遥操作力控制研究现状
• 1.4.1 力矩伺服力控制
• 1.4.2 位置伺服力控制
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 宏-微机器人自适应力控制研究
• 2.1 宏-微机器人系统结构环境
• 2.2 力觉自适应装配任务分析
• 2.3 自适应力控制策略
• 2.3.1 自适应控制的基本思想
• 2.3.2 管道装配的自适应力控制策略
• 2.4 力控制过程动态分析
• 2.5 共享控制策略
• 2.5.1 人机共享控制策略
• 2.5.2 人机共享控制实验
• 2.6 本章小结
• 第3章 宏-微机器人系统重力补偿及惯性补偿
• 3.1 宏-微机器人系统中的补偿
• 3.2 微机器人重力补偿
• 3.2.1 重力补偿的一般算法
• 3.2.2 重力补偿的改进算法
• 3.3 重力补偿实验
• 3.3.1 微机器人参数标定
• 3.3.2 微机器人重力补偿实验
• 3.4 宏-微机器人系统惯性补偿
• 3.4.1 系统惯性分析
• 3.4.2 系统惯性的补偿
• 3.5 系统惯性补偿仿真实验
• 3.6 本章小结
• 第4章 管道全位置遥控焊接的质量控制
• 4.1 管道全位置遥控焊接质量控制的关键问题
• 4.2 管道全位置焊的焊缝对中
• 4.2.1 本地端遥操作的焊缝初始对中
• 4.2.2 基于椭圆拟合的焊缝对中补偿算法
• 4.3 全位置焊接参数的控制
• 4.3.1 管道全位置焊焊接参数的制定
• 4.3.2 焊接参数控制
• 4.4 本章小结
• 第5章 宏-微机器人管道遥控焊接实验
• 5.1 管道遥控焊接实验
• 5.2 自适应管道装配实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢