水火弯板机器人控制问题的研究

论文摘要

船体曲面钢板水火加工成型（也称水火弯板）是造船过程中对船体外板进行加工成型的工艺。目前这种加工技术主要是靠作业工人的经验积累才能掌握。在实际工作中，对于一个有经验的熟练工人来说，要加工出一块弯板，通常需要经过两三遍的水火加工过程才能完成。而对于一个新手来说，这个工作就是相当困难的。基于这个原因，本文研究了水火弯板机器人设计过程中的相关问题，希望可以通过对机器人的精确控制来代替人工操作，提高水火弯板的加工效率。本文首先对水火弯板的加工工艺进行了详细阐述，并据此确定了水火弯板机器人的自由度，运动空间以及运动特点，设计了控制系统方案。然后再根据所确定的自由度和运动空间，以控制系统为依托，深入研讨了水火弯板机器人的运动学问题与动力学问题。其中运动学问题主要是解决操作机末端执行器的位置和姿态与各关节弯曲角度的对应关系；动力学问题主要是解决关节力矩与关节位移、速度和加速度之间的关系。由于水火弯板加工工艺的特殊性，所以本文对机器人的运动轨迹进行了合理的规划。文章的后半部分阐述了如何在Visual C++平台下，利用OpenGL技术设计的水火弯板机器人手臂的三维仿真软件。仿真首先模拟了机器人运动学问题，基于此对运动中的路径进行了规划。仿真软件可以实现三个问题的仿真操作：静态仿真；未进行轨迹规划的动态仿真；已进行轨迹规划的动态仿真。仿真结果表明，所求解的运动学方程以及所规划的运动轨迹可以完全满足水火弯板工艺的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 水火弯板的工艺特点及研究方向
• 1.1.1 水火弯板的工艺特点
• 1.1.2 水火弯板的研究方向
• 1.2 工业机器人的概述
• 1.2.1 国内外工业机器人发展状况
• 1.2.2 工业机器人的基本组成
• 1.3 论文的主要研究工作和内容安排
• 2 水火弯板机器人的控制系统
• 2.1 控制方案设计
• 2.2 控制系统的硬件设计
• 2.3 控制系统的软件设计
• 3 水火弯板机器人的运动学控制
• 3.1 机器人的自由度及工作空间的分析
• 3.2 机器人空间描述
• 3.2.1 工业机器人的位姿描述
• 3.2.2 齐次坐标变换
• 3.2.3 机器人运动学方程
• 3.3 水火弯板机器人运动学分析
• 3.3.1 正运动学问题
• 3.3.2 逆运动学问题
• 3.4 轨迹规划
• 3.4.1 直角坐标空间中轨迹规划的插补算法
• 3.4.2 关节空间中轨迹规划的插补算法
• 3.4.3 水火弯板机器人的轨迹规划
• 4 水火弯板机器人的动力学控制
• 4.1 机器人动力学概述
• 4.2 拉格朗日-欧拉法
• 4.2.1 工业机器人的速度分析
• 4.2.2 工业机器人动能和势能的计算
• 4.2.3 工业机器人拉格朗日-欧拉方程的计算
• 4.3 水火弯板机器人动力学分析
• 4.3.1 水火弯板机器人刚体的动能和势能
• 4.3.2 水火弯板机器人的动力学方程
• 5 基于OPENGL技术的三维仿真系统
• 5.1 OpenGL技术概述
• 5.1.1 MFC中引入OpenGL的方法
• 5.1.2 机械手臂三维实体模型的建立
• 5.2 水火弯板机器人仿真程序的结构及运行过程
• 5.3 水火弯板机器人的仿真操作及仿真结果
• 结论
• 参考文献
• 附录A 水火弯板机器人仿真程序关键代码
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢