变负载下机器人液压串联弹性执行器动态位置控制方法

针对变负载下接触环境刚度不确定时液压驱动机器人末端执行器动态性能差的问题,提出了基于时间-误差绝对值积分控制器(ITAE)的液压串联弹性执行器(SEA)动态位置控制方法。首先,根据液压缸的流量连续性方程和活塞与负载的动力学方程,以负载与活塞的位移、速度及负载压力差作为状态变量,运用状态空间法建立液压SEA的五阶状态空间模型;然后,考虑系统带宽、阻抗和重载工况对串联弹簧刚度的不同要求,确定出串联弹簧刚度范围,兼顾系统的快速响应性和稳定性,对时间与误差的绝对值乘积积分,构建基于ITAE的控制器;最后,采用ITAE控制器实现变负载下液压SEA动态位置的精确控制。仿真实验结果表明:在纯惯性负载下,ITAE控制器相比基于灰狼优化的PD控制器(GWO-PD控制器),响应速度快12.5%,稳态误差减小93%;在纯惯性-复合负载切换工况下,当串联弹簧刚度变化时,ITAE控制器相比GWO-PD控制器,响应速度快80%,稳态误差减小18%,而GWO-PD控制器在弹簧刚度较小时产生高频振荡,最大振荡为13.83%;当接触环境刚度变化时,ITAE控制器相比GWO-PD控制器,响应速度快81%,稳态误差减小45%。采用ITAE控制,在内、外参数变化时SEA均具有良好控制性能,可满足非结构环境下的应用要求。

焊接机器人焊缝跟踪方法及路径规划研究

焊缝自主跟踪是机器人焊接智能化的关键,其精度是评价焊接质量的重要指标。焊接对象或条件的改变对精度的影响最为直接,尤其当焊件表面存在缺陷时会产生较大的跟踪误差。为此,开展焊接机器人焊缝跟踪方法及路径规划研究,提出焊缝跟踪的4步法:1)利用激光传感器扫描坡口,获取轮廓数据。2)接着通过组合滤波算法,运用限幅滤波和高斯滤波处理数据以平滑噪声。3)采用导数法初步定位特征点,通过寻找第1阶和第2导数极值点以定位第1类和第2类特征点;以初步定位获得的特征点为分界点,分段拟合坡口轮廓数据,计算各拟合线段的交点进而得到精确定位的特征点。4)通过传感器位姿标定,确定其相对末端坐标系的位置,借助转换矩阵将传感器检测到的焊缝特征点转化到基座标系下,得到机器人的空间定位点;运用3次样条插值法生成焊枪末端轨迹,并驱动机器人按照预定轨迹运行,进而实现焊缝的有效跟踪。通过实验验证直线与曲线焊缝的跟踪效果,结果表明:初步定位时,跟踪误差约为0.628 mm、0.736 mm,经精确定位后,误差降为0.387 mm、0.429 mm,提升幅度分别超过38.4%、41.7%;且焊枪的抖动现象得到减弱,达到自动焊接误差≤0.5 mm的精度要求,表明了文中所提出跟踪方法的有效性,可为焊缝的高精度跟踪和自动焊接研究提供有益参考。

基于参数估计-滑模阻抗控制的SEA性能分析

重载四足机器人的足部与地面接触过程和步态转换过程中会受到不确定的冲击载荷作用,易导致足部机构载荷过大从而造成结构的冲击损坏。因此,针对使用液压串联弹性执行器(series elastic actuators,SEA)作为足部末端在非结构环境下动态性能差的问题,提出了基于环境参数估计的滑模阻抗控制方法(environmental parameter estimation sliding mode,EPESM)。以阀控液压缸的活塞位移传递函数为基础建立了基于位置内环的SEA阻抗控制模型,并以PID作为基础控制器;为改善SEA阻抗控制的动态性能,根据Lyapunov第二法构建稳定的自适应环境参数估计方法对SEA期望位置进行前馈补偿;为提升自适应环境参数估计方法在SEA工作过程中不同阶段的动态性能和环境变化适应性,使用模糊控制方法对自适应环境参数估计方法中的自适应参数进行寻优;以SEA状态方程为基础构建滑模控制器与PID控制器进行动态性能对比分析。仿真结果表明:在变SEA弹簧刚度工况和变环境刚度下,EPESM阻抗控制的响应速度明显更快,可将调节时间从平均5 s缩短到1 s内,能更快地达到预期位移和预期接触力,且能略微降低稳态误差,使接触力误差保持在±6 N内。在动态跟踪工况下,EPESM阻抗控制的动态性能更好,在快速进入跟踪状态后,可以长时间保持0.2 s以内的相位滞后和5.2%的幅值误差。

深水环境下压力补偿泵柱塞副的润滑特性分析

压力补偿式柱塞泵可较好地适应深水极端环境,但深水极端环境会使柱塞副的润滑特性发生改变,影响其水下工作性能和应用范围。以压力补偿泵柱塞副油膜的润滑特性为研究对象,考虑深水温度、压力等环境因素对黏度、密度等介质属性的影响,建立深水环境下柱塞副油膜的数值模型,提出在柱塞偏心方向采用坐标轮换寻优和有限差分离散有机结合的方法求解柱塞副膜厚等表征润滑特性的参数。结果表明,在水深1000 m,主轴转角约90°时,柱塞副油膜出现小于1μm的极薄区域,且压力极差达80 MPa。改变主轴转速和斜盘倾角时,泄漏量和轴向摩擦力的变化较大气工况下更显著。不同水深下,轴向摩擦力与水深间呈正相关变化,泄漏量的变化则相反。相关研究可为深水环境下泵柱塞副的设计和开发提供有益参考。

运用形态学运算的焊接前离线路径规划

焊接特征点的自动提取是机器人自主规划焊接路径的关键。传统的焊接通常需要示教焊接中间点,当工件更改或装配出现误差时,通常需要重新进行示教,导致焊接效率较低。文章提出了一种基于单目相机的焊接特征点自动化提取的方法,首先采用双边滤波平滑图像;随后运用Sobel算子计算像素的梯度,以图像的平均灰度值为阈值进行二值化;接着通过闭运算填充细小孔洞并连接间断的细小轮廓线;使用改进的轮廓跟踪算子消除图像上的残留噪声;采用平均法从图像上提取特征点;然后通过相机标定将特征点从像素坐标系转换到用户坐标系。采取不同形状的平面薄板对接焊缝工件进行特征点提取实验,通过对比特征点与激光传感器采集得到的焊缝坡口中心点在用户坐标系y轴方向上的差值,获得混合型焊缝、直线型焊缝、曲线型焊缝的平均误差分别为0.45mm、0.23mm、0.42mm,表明该方法能够从图像中自动识别焊缝并提取焊接特征点,免除焊接系统的示教环节。