破拆机器人工作装置的液固联合模型仿真与控制研究
发布时间：2017-07-18 09:17
本文关键词：破拆机器人工作装置的液固联合模型仿真与控制研究
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【摘要】：液压破拆机器人是一种特殊的工程机器人,它集机械和电子、通信、控制、液压技术于一体,配上各种功能属具能在易燃、易爆等高危险工况下完成破拆剪切等作业。这类装备的特点是多杆机械臂的工作行程大且自重较大,采用液压驱动,精确作业对系统的控制性能要求较高。为了探究破拆机器人工作装置的质量变化对控制系统动态特性的影响,本论文以某公司的GTRC-15型破拆机器人的主臂为研究对象,将液压系统和机械臂动力学方程联合成一组非线性时变状态方程,建立主臂的液固联合模型。该模型可以实时反映质量和动力学方程系数等时变参数对系统动态性能的影响。并搭建基于CANopen现场总线控制及测试的样机实验系统,完成相关实验。经仿真与实验比较,证明该系统模型是准确合理的,并探究了闭环PID控制对系统的影响。本论文的主要内容如下:(1)简单介绍破拆机器人。对国内外对破拆机器人工作装置运动控制的发展状况进行了概述。(2)分析了工作装置液压系统原理。通过研究液压系统流量方程、非对称液压缸流量连续性方程和液压缸输出力与负载力平衡方程,得到了液压系统的开环传递函数,从中了解到工作装置的等效质量M对整个系统的动态特性有直接影响。为了便于分析时变参数M,推导了液压系统的状态方程。(3)以主臂为例,运用理论力学的知识推导出主臂液压缸负载等效质量M1的公式。建立了破拆机器人工作装置的运动学模型,实现了目标破拆点与关节空间、关节空间与驱动空间之间的转换。利用1stopt软件对等效质量M1进行极值估算,并运用Matlab求解出M1与关节角1?之间的变化关系。(4)利用拉格朗日法完成破拆机器人工作装置的动力学建模。针对机械臂之间存在关节耦合问题,以及工程实际运用情况,在上一章的基础上,分析研究破拆机器人主臂最不稳定状态时的系统模型,得出此状态下的主臂动力学方程。(5)在破拆机器人主臂最不稳定状态下,将液压系统和机械臂动力学方程联合成一组非线性时变状态方程,建立主臂的液固联合模型。对此液固联合模型进行开环和闭环控制仿真,并将仿真结果与样机实验结果进行比对分析,证明该模型是合理的、准确的。(6)搭建基于CANopen现场总线控制及测试的样机实验系统,完成实验与运动数据分析。实验1在验证液固联合模型正确的基础上,研究P、I、D三个参数对闭环PID控制系统的影响,并对其鲁棒性进行测试。实验2在实验1的基础上,测试出不同控制条件下的液压锤锤尖的实验运动轨迹,研究开环和闭环PID控制对液压缸运动状态和锤尖运动轨迹的影响。
【关键词】：破拆机器人 等效质量 动力学 液固联合模型 样机实验
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：
- 摘要4-5
- Abstract5-9
- 第一章 绪论9-17
- 1.1 引言9
- 1.2 破拆机器人国内外发展现状9-11
- 1.2.1 国外发展情况9-11
- 1.2.2 国内发展情况11
- 1.3 破拆机器人的发展趋势11-12
- 1.4 GTRC-15遥控破拆机器人简介12-13
- 1.5 国内外对破拆机器人工作装置运动控制的研究现状13-15
- 1.5.1 国外研究现状13-14
- 1.5.2 国内研究现状14-15
- 1.6 论文主要研究内容15-17
- 第二章 工作装置的液压系统建模17-26
- 2.1 引言17
- 2.2 基于电液比例控制的液压系统工作原理17-18
- 2.3 主臂液压操纵回路18-19
- 2.4 液压系统的数学模型19-25
- 2.4.1 阀控非对称液压缸的数学模型19-23
- 2.4.2 液压系统的数学模型23-25
- 2.5 本章小结25-26
- 第三章 等效质量的估算26-38
- 3.1 引言26
- 3.2 主臂液压缸负载等效质量表达式推导26-27
- 3.3 破拆机器人工作装置的运动学分析27-35
- 3.3.1 破拆机器人空间描述27-28
- 3.3.2 关节空间与驱动空间的转换28-32
- 3.3.3 工作装置的运动学分析32-35
- 3.4 主臂液压油缸的负载等效质量极值估算35-37
- 3.4.1 等效质量M1的极值求解36
- 3.4.2 等效质量M1与关节角 θ1的关系36-37
- 3.5 本章小结37-38
- 第四章 破拆机器人工作装置的动力学模型38-46
- 4.1 引言38
- 4.2 建立动力学模型的方法38-39
- 4.3 工作装置的动力学方程39-44
- 4.3.1 工作装置的动能39-42
- 4.3.2 工作装置的势能42
- 4.3.3 工作装置的拉格朗日函数42
- 4.3.4 工作装置的动力学方程42-43
- 4.3.5 破拆机器人工作装置的动力学方程简化43-44
- 4.4 主臂的动力学方程44-45
- 4.5 本章小结45-46
- 第五章 主臂的液固联合模型及其运动仿真46-54
- 5.1 引言46
- 5.2 建立液固联合模型46-48
- 5.3 液固联合模型控制仿真与实验结果48-53
- 5.3.1 Simulink简介48
- 5.3.2 S-函数简介48
- 5.3.3 开环仿真与实验结果48-49
- 5.3.4 闭环仿真与实验结果49-53
- 5.4 本章小结53-54
- 第六章 破拆机器人工作装置控制系统的样机实验54-67
- 6.1 引言54
- 6.2 实验系统54-56
- 6.3 实验 1：测试不同PID参数对闭环PID控制实验的影响56-61
- 6.3.1 实验设备56-58
- 6.3.2 实验过程与方案58-59
- 6.3.3 实验结果与分析59-61
- 6.4 实验 2：测试不同PID参数条件下的液压锤锤尖的实际运动轨迹61-65
- 6.4.1 实验设备61-62
- 6.4.2 实验操作与方案62-63
- 6.4.3 测试结果与分析63-65
- 6.5 本章小结65-67
- 第七章 结论与展望67-69
- 7.1 主要结论67
- 7.2 论文不足与展望67-69
- 参考文献69-73
- 附录A 论文中已知参数的数值73-74
- 附录B 论文中部分计算结果74-77
- 攻读研究生期间发表的论文77-78
- 致谢78
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本文编号：557013
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