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喷浆机械手轨迹规划与控制研究

王鹤  
【摘要】:喷浆机是一种广泛应用于铁路公路隧道,地下建筑,各类矿山和水利水电工程施工的工程设备,喷浆机械手的轨迹是影响喷浆施工质量以及喷浆机械手寿命和工作可靠性的重要因素之一。本文以机械手的运动时间和关节冲击作为轨迹性能指标,对喷浆机械手进行轨迹规划,并对喷浆机械手电液比例控制系统进行数学建模,仿真分析和实验验证。 首先,在对喷浆机械手的结构和运动过程进行分析的基础上,采用D-H法建立运动学模型,进行运动学分析,得到喷枪的位姿和关节位置的关系以及关节位置和驱动油缸活塞位移的关系。 其次,针对喷枪水平运动时需要保持匀速运动的特点,提出了高阶多项式过渡线性插值法,解决了抛物线过渡线性插值法轨迹加速度不连续而引起的关节冲击问题;针对喷枪竖直运动时需要快速动作的特点,基于三次样条函数插值法,提出了时间—冲击综合最优轨迹规划方法,以机械手的关节脉动的平方对运动时间的积分定义机械手的关节冲击指标,采用加权系数法定义目标函数,以关节的运动学约束作为轨迹的约束条件,通过二次序列规划算法优化得到机械手运动时间和关节冲击综合最优轨迹,有效解决轨迹规划中机械手运动时间和关节冲击的矛盾问题。 最后,建立喷浆机械手电液比例控制系统的数学模型,分析系统开环传递函数的稳定性,整定PID参数,通过MATLAB/simulink进行机械手轨迹控制仿真分析。并在此基础上对喷浆机械手控制系统进行实验研究,验证了理论研究和仿真分析的正确性。


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