機器人遙控焊接非結(jié)構(gòu)化環(huán)境力覺輔助裝配策略研究.pdf

1、核環(huán)境設(shè)備修復、海洋工程水下施工、空間站建設(shè)維護以及地下管道維修等極限環(huán)境任務，需要操作者在遠離工作現(xiàn)場的安全環(huán)境中，根據(jù)現(xiàn)場反饋的傳感信息對焊接設(shè)備和焊接過程進行遠程監(jiān)視和控制，實現(xiàn)遙控焊接。對于極限環(huán)境管道裂紋修復任務，采用基于管道替換策略的機器人遙控焊接維修方案具有很好的應用前景。本文針對基于力覺傳感控制的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境裝配策略進行研究，用于實現(xiàn)管道替換遙控焊接方案中涉及的作業(yè)工具裝配操作，為機器人遙控焊接技術(shù)在極限環(huán)境管道維修領(lǐng)域

2、的實際應用奠定基礎(chǔ)。
　　根據(jù)管道替換遙控焊接方案中工具裝配操作的過程特點，設(shè)計開發(fā)了基于開放式位置伺服機器人、六維力/力矩傳感器和力反饋操縱桿的機器人遙控焊接力覺傳感控制系統(tǒng)，作為表面跟蹤共享力覺控制和工具裝配主動柔順控制等力覺傳感控制關(guān)鍵技術(shù)的研究平臺。力覺傳感控制技術(shù)是機器人遙控焊接非結(jié)構(gòu)化環(huán)境裝配策略研究的核心問題。
　　通過對遙控焊接任務空間和人機智能分配模式的分析，提出了被動柔順共享監(jiān)督和宏觀遙控局部自主兩類非結(jié)

3、構(gòu)化環(huán)境裝配策略。被動柔順共享監(jiān)督裝配策略采用表面跟蹤共享力覺控制任務空間標定技術(shù)將非結(jié)構(gòu)化環(huán)境轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化環(huán)境，通過人機交互任務分析規(guī)劃技術(shù)和人機共享遙操作輔助功能，實現(xiàn)工具裝配任務的共享監(jiān)督控制，以被動柔順方式補償裝配誤差。宏觀遙控局部自主裝配策略通過宏觀遙控操作引導裝配工具與任務環(huán)境發(fā)生接觸，根據(jù)工具重力補償后的實際接觸力信息進行基于受控Petri網(wǎng)模型的工具裝配過程離散事件控制，通過主動柔順控制消除裝配位置姿態(tài)偏差。
　　

4、對表面跟蹤共享力覺控制任務空間標定技術(shù)進行了研究，采用基于球形力探測頭和給定約束運動平面的任務環(huán)境表面跟蹤策略，根據(jù)跟蹤軌跡接觸點受力狀態(tài)分析，提出了位置伺服機器人表面跟蹤局部自主力控制算法，建立了基于人機智能協(xié)作的表面跟蹤共享力覺控制系統(tǒng)，用于實現(xiàn)任務空間標定。通過基于坐標系變換的接觸點測量算法，精確計算跟蹤軌跡接觸點的空間位置。采用直接最小二乘擬合算法，對管道工件表面的橢圓跟蹤軌跡進行擬合。提出了針對管道工件的任務空間標定算法，用于

5、建立滿足管道維修遙控焊接被動柔順裝配精度要求的結(jié)構(gòu)化環(huán)境模型。
　　對于被動柔順共享監(jiān)督裝配策略，采用智能分級思想和基元任務概念，進行人機交互任務分析規(guī)劃器設(shè)計，用于構(gòu)造實現(xiàn)監(jiān)督控制的基元任務序列。針對受限運動空間裝配任務，提出了基于平面輔助功能和直線—速度—力輔助功能的人機共享控制策略，提高了任務分析規(guī)劃器的適應能力。開發(fā)了基元任務編譯器，將監(jiān)督控制高級指令序列解釋為結(jié)構(gòu)體格式的中間指令序列，進而生成機器人指令序列，以被動柔順方

6、式完成工具裝配任務。
　　對基于負載參數(shù)標定的工具重力補償技術(shù)進行了研究，在無接觸只存在重力作用的條件下，通過工具重力計算和線性最小二乘進行工具負載參數(shù)標定。在此基礎(chǔ)上，提出了用于消除主動柔順裝配過程重力干擾的工具重力補償算法，使重力補償精度滿足工具裝配任務局部自主力控制的需要。
　　對于宏觀遙控局部自主裝配策略，在接觸形式描述和接觸狀態(tài)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)造基于受控Petri網(wǎng)的管道工具裝配接觸狀態(tài)離散事件模型，提出了基于狀態(tài)

7、標識檢測的裝配接觸狀態(tài)變遷識別方法，設(shè)計了用于實現(xiàn)主動柔順工具裝配的離散事件控制器，根據(jù)工具重力補償后的實際接觸力信息進行工具裝配離散事件控制，以主動柔順方式消除工具裝配位置姿態(tài)偏差。
　　針對基于管道替換策略的極限環(huán)境管道維修遙控焊接任務，分別采用被動柔順共享監(jiān)督和宏觀遙控局部自主策略進行非結(jié)構(gòu)化環(huán)境工具裝配實驗。從操作精度、執(zhí)行效率、通用性和可靠性角度進行對比分析的結(jié)果表明，被動柔順共享監(jiān)督策略的通用性和可靠性較好，宏觀遙控局