液压控制工程机械论文提纲

论文题目：液压凿岩机器人机械臂轨迹规划及跟踪控制研究

摘要：隧道开挖是现代交通、水电、国防等大规模基本建设中的一项难度大、耗资耗时多、劳动条件差但又十分重要、十分关键的施工作业。液压凿岩机器人是钻爆法施工的主要设备之一,液压凿岩机器人的技术进步直接促进了隧道施工水平的提高。针对恶劣的工作环境和劳动力资源的日渐萎缩,液压凿岩机器人的无人化研究迫在眉睫。目前液压凿岩机器人的智能控制系统完全被进口产品垄断,国内没有成功应用的产品,开发一套具有自主知识产权的国产化液压凿岩机器人智能控制系统意义重大。机械臂是液压凿岩机器人的执行机构,也是其最为关键的部件。机械臂的轨迹控制研究是液压凿岩机器人智能控制系统的基础。结合工程实际,对液压凿岩机器人机械臂的运动学、轨迹规划、轨迹跟踪以及轨迹的控制试验等方面展开了研究,研究的内容主要包括:（1）建立液压凿岩机器人机械臂的D-H坐标系并进行运动学的正逆解分析。通过Matlab的可视化功能描绘出机械臂的工作空间,以便判断机械臂的设计结构是否满足隧洞施工的要求。针对机械臂多自由度冗余的特点,同时结合液压凿岩机器人实际工况,优化求解出机械臂各关节的逆运动学解析。采用Adams软件建立了机械臂仿真模型,并对其进行运动学仿真,验证了正逆运动学算法的正确性。（2）提出液压系统动力源匹配与轨迹规划相结合的方法。利用所求的运动学逆解,分别在笛卡尔坐标系内对直线插补和圆弧插补进行了研究,在关节坐标系内对三次多项式、五次多项式及带抛物线过渡的轨迹进行了规划研究。采用AMESim软件平台建立机械臂运动系统的仿真模型,针对三种不同轨迹规划方法结合液压系统的流量和功率,确认出最优的轨迹规划方法。（3）针对机械臂电液伺服系统内部参数、外部扰动以及机械结构间隙的不确定性对轨迹跟踪可能产生的偏差,提出了一种基于串级ADRC的机械臂轨迹跟踪控制策略。采用扩张状态观测器来估计电液系统的内部参数和外部负载,并针对不确定性偏差,设计了新的干扰抑制控制器。并利用Lyapunov稳定理论对系统的稳定性进行了证明。根据实际参数对其进行了仿真,仿真结果表明了该方法的有效性,同时与传统前馈PID算法的对比仿真结果表明了所设计方法的优越性。（4）设计机械臂轨迹控制系统的硬件体系,基于真实的液压凿岩机器人机械臂进行轨迹运动控制试验。试验结果表明,所提出的轨迹控制方法能够实现机械臂平稳、精确的轨迹运动,其精度满足施工精度要求。为液压凿岩机器人无人操作运动控制的工程应用奠定了基础。

关键词：液压凿岩机器人;运动学;轨迹规划;动力源匹配;轨迹跟踪

学科专业：机械电子工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 液压凿岩机器人发展现状

1.2.1 液压凿岩机器人国外发展现状

1.2.2 液压凿岩机器人国内发展现状

1.3 液压凿岩机器人机械臂的研究现状

1.3.1 机械臂的运动学研究现状

1.3.2 机械臂的轨迹规划研究现状

1.3.3 机械臂的轨迹跟踪研究现状

1.4 课题的意义与来源

1.5 论文主要研究内容

第2章 液压凿岩机器人运动学分析及仿真

2.1 机器人位姿描述

2.1.1 平移坐标变换

2.1.2 旋转坐标变换

2.1.3 齐次坐标变换

2.2 D-H法介绍

2.3 机械臂结构介绍

2.4 正运动学分析

2.5 工作空间求解

2.6 逆运动学分析

2.7 仿真验证

2.8 本章小结

第3章 轨迹规划与液压系统动力源的匹配研究

3.1 研究的内容

3.2 笛卡尔空间的轨迹规划

3.2.1 直线插补

3.2.2 圆弧插补

3.3 关节空间的轨迹规划

3.3.1 三次多项式轨迹规划

3.3.2 五次多项式轨迹规划

3.3.3 带有抛物线过渡的线性插值

3.4 机械臂轨迹规划仿真

3.4.1 笛卡尔空间的轨迹规划仿真

3.4.2 关节坐标空间的轨迹规划仿真

3.5 机械臂的液压系统匹配

3.5.1 液压系统

3.5.2 液压缸受力求解

3.5.3 液压系统建模与仿真

3.5.4 液压系统节能

3.6 本章小结

第4章 液压凿岩机器人机械臂轨迹跟踪控制

4.1 ADRC介绍

4.2 液压系统模型

4.2.1 非对称液压缸比例系统模型

4.2.2 液压马达比例系统模型

4.2.3 机械臂的挠度和间隙偏差

4.3 ADRC控制器的设计和稳定性分析

4.3.1 阀-油缸控制器设计

4.3.2 稳定性分析

4.3.3 阀-马达控制器设计

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第5章 液压凿岩机器人机械臂轨迹控制实验研究

5.1 液压凿岩机器人机械臂实验平台

5.1.1 液压凿岩机器人机械臂实物介绍

5.1.2 实验主要器件介绍

5.1.3 实验现场传感器安装

5.1.4 电控控制原理介绍

5.1.5 软件实现

5.2 机械臂控制轨迹控制系统实验

5.2.1 坐标测量及转换

5.2.2 轨迹控制系统实验

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢