面向机器人抛光打磨的一维恒力装置及控制系统

发布时间：2017-04-06 02:06

  本文关键词：面向机器人抛光打磨的一维恒力装置及控制系统，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着《中国制造2025战略》的推进,工业机器人的应用在我国各行各业得到迅猛的发展,给制造业注入了一股新的活力。产品零件打磨是当前工业机器人应用领域中的一个难点。为了使工业机器人适应打磨加工的需求,在位置轨迹控制的基础上,往往需要对工业机器人在实际打磨加工过程中产生的接触应力进行有效的控制。本文基于被动柔顺的原理和方法,提出面向工业机器人打磨抛光的一维恒力装置及其控制方法,主要内容如下：首先,针对打磨工业机器人在打磨加工过程中对接触应力的柔顺控制问题,对两类相关控制方法和装置进行了分析。其次,提出以音圈电机作为动力输出元件的一维恒力装置设计方案,并对装置工作原理进行分析。提出基于力传感器的电机闭环力反馈控制系统,通过动态调节电机电流,使得打磨接触力保持在相对恒定范围以内。再次,对一维恒力装置进行了软硬件设计。在硬件方面,进行了机械结构、控制系统硬件框架、电路整体方案设计,选择STM32作为控制电路的主控芯片。根据STM32特性设计了基于传感器通讯电路、PCF8591数据采集电路、姿态检测电路。在软件方面,提出了以μcos-Ⅲ嵌入式实时操作系统的软件层次结构,同时设计并改进控制系统的离散PID控制器。提出了基于重力加速度传感器与三轴陀螺仪的恒力装置姿态传感器互补滤波算法对姿态传感器信号进行改进,有效消除了三轴陀螺仪积分累积误差和重力加速度传感器响应速度慢的缺陷。最后,设计实验对一维恒力装置进行测试,首先是通过实验采集不同受力下对应电压输出的数据,通过最小二乘法拟合得到力与电压间的关系,实现对装置的标定工作。接着测试装置的动态响应特性,将目标力设计成方波信号输入,观察恒力装置的输出,通过实验得到恒力装置的力跟随输出平均响应时间为53.6ms、最大超调量平均值为调节幅度的11.15%,动态性能表现优秀。最后对装置进行打磨实验,装置在打磨工件时大部分时间测得力偏差绝对值保持在2N之内,偏差绝对值峰值为5N,打磨后工件表面比较光滑均匀,打磨效果良好。
【关键词】：恒力打磨 被动柔顺 机器人 STM32 音圈电机 PID
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 课题研究的背景及意义13-14
• 1.2 机器人恒力打磨国内外研究现状及分析14-17
• 1.2.1 阻抗控制15-16
• 1.2.2 力/位混合控制16-17
• 1.2.3 被动柔顺17
• 1.3 被动柔顺打磨抛光装置17-18
• 1.3.1 ACF自适应法兰17-18
• 1.3.2 RCC远程中心柔顺装置18
• 1.4 本文主要工作18-21
• 第二章 一维恒力装置总体设计21-33
• 2.1 引言21
• 2.2 一维恒力装置工作原理21-23
• 2.3 一维恒力装置动力输出元件23-24
• 2.4 音圈电机动力学建模与分析24-28
• 2.5 控制系统设计方案28-32
• 2.5.1 STM32微机平台总体方案28-31
• 2.5.2 操作系统选择31-32
• 2.6 本章小结32-33
• 第三章 一维恒力装置电路及机械本体设计33-44
• 3.1 引言33
• 3.2 控制系统硬件33-39
• 3.2.1 硬件总体框架34-36
• 3.2.2 硬件电路设计36
• 3.2.3 机械本体设计36-39
• 3.3 传感器通讯设计39-40
• 3.4 基于PCF8591的数据采集电路40-41
• 3.5 一维恒力装置姿态检测电路41-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第四章 一维恒力装置控制系统软件设计44-56
• 4.1 引言44
• 4.2 一维恒力装置软件方案44-46
• 4.2.1 软件层次结构44-45
• 4.2.2 控制程序流程图45-46
• 4.3 一维恒力装置的PID控制算法设计46-50
• 4.3.1 PID控制原理46-48
• 4.3.2 音圈电机PID控制流程设计48
• 4.3.3 PID算法的改进48-50
• 4.4 基于STM32的音圈电机控制实现50-53
• 4.4.1 音圈电机PWM控制51-52
• 4.4.2 基于STM32定时器的PWM脉冲发生器52-53
• 4.5 一维恒力装置姿态实时检测53-54
• 4.5.1 三轴陀螺仪与重力传感器姿态检测53-54
• 4.5.2 姿态传感器数据的互补滤波算法54
• 4.6 本章小结54-56
• 第五章 实验设计、数据分析及实验结果56-70
• 5.1 引言56
• 5.2 一维恒力装置标定56-60
• 5.2.1 实验方案及步骤56-57
• 5.2.2 实验结果与数据分析57-60
• 5.3 一维恒力装置接触力跟踪实验60-64
• 5.3.1 实验测试方案及步骤60-62
• 5.3.2 实验结果与数据分析62-64
• 5.4 恒力打磨实验64-68
• 5.4.1 实验方案及步骤65-66
• 5.4.2 实验结果与数据分析66-68
• 5.5 实验总结68-70
• 总结与展望70-72
• 总结70-71
• 展望71-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士学位期间成果76-78
• 致谢78-79
• 附录79-86
• 力传感器测量数据79-82
• 部分阶跃响应波形图82-86

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