国家863项目的研究成果，助力机器人研发！

近年来，航空航天和先进制造技术的迅速发展，对大型自由曲面的尺寸和表面质量的要求越来越高，研磨抛光光整加工也成为必不可少的加工工序。目前，国内外对大型自由曲面的研磨抛光加工仍然主要依靠手工操作完成，不仅费时费力、效率极低，而且研磨抛光加工后表面质量的均一性较差、表面形状尺寸精度也不高。自动化研抛系统的开发主要是基于数控机床或工业机器人进行的，如果使用机床进行大型自由曲面的自动化磨抛，需要机床的尺寸大于大型自由曲面尺寸，基于传统数控机床或磨床开发的研抛系统，由于其工作空间的局限，远远满足不了大型尺寸曲面研抛加工的要求，这样，大型设备的加工、装配都很困难，加工柔性不足，而且成本昂贵。

针对上述问题，形成了采用小型自主移动机器人对大型自由曲面进行磨抛的崭新技术思路。利用移动作业机器人全区域覆盖特性，进行大型复杂曲面的研磨加工成为了一种新的方向并有着广泛的应用前景。

主要介绍自主研抛机器人技术的相关理论基础与前沿技术，是作者近年来在国家“863”等项目中所取得的学术研究和技术实践成果的总结。

基于实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标，利用移动操作机器人具有较好的操作灵活性和工作空间大的特点，提出了一种研磨大型自由曲面自主作业机器人的机械结构，并进行了关键技术的研究。重点针对研磨大型自由曲面自主作业机器人的曲面重构与定位方法、5-TTRRT机器人运动学动力学建模、运动规划与运动控制、主被动结合的柔顺控制方式等进行了深入论述。力求设计理念符合国内外先进技术的发展要求，设计内容与国内外最新研究成果同步。

本书可供机器人研究及自动化方向的科研人员及工程技术人员使用，也可作为机械设计及其自动化、机械设计及理论、控制理论与控制工程、机械电子工程等相关专业研究生的参考用书。

章节介绍：

第1章对移动作业机器人技术进行概述；

第2章介绍了一种新型自主研磨作业机器人系统及该机器人坐标系内研磨曲面构建方法；

第3章介绍了机器人研磨自由曲面的运动规划；

第4章介绍了机器人研磨自由曲面的轨迹跟踪控制策略；

第5章介绍了自主作业研磨机器人的柔顺控制；

第6章介绍了5-TTRRT机器人研磨实验研究。

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目录：

序

前言

第1章绪论1

1.1 应用机器人技术精整加工大型自由曲面的背景1

1.2 机器人精整加工自由曲面技术研究进展2

1.3 移动作业机器人技术国内外研究现状及关键技术研究6

1.3.1 移动作业机器人国内外研究现状6

1.3.2 移动作业机器人关键技术研究9

第2章新型自主研磨作业机器人系统的研究16

2.1 移动研磨作业机器人系统16

2.1.1 自主作业研磨机器人系统技术思路16

2.1.2 自主作业研磨机器人的结构与性能要求17

2.2 自主作业研磨机器人机械本体的研制17

2.2.1 移动平台的构建17

2.2.2 操作臂的研制18

2.2.3 研磨工具开发20

2.3 自主作业研磨机器人控制系统20

2.45-TTRRT机器人坐标系内研磨曲面的构建方法21

2.4.1 系统组成和工作原理22

2.4.2 自由曲面的三维重构23

第3章机器人研磨自由曲面的运动规划29

3.15-TTRRT机器人运动学与动力学模型30

3.1.1 5-TTRRT机器人运动学模型30

3.1.2 5-TTRRT机器人动力学建模31

3.1.3 5-TTRRT机器人运动学动力学仿真32

3.2 自由曲面的分片规划34

3.2.1 自由曲面特征的基础34

3.2.2 自由曲面分片规划的提出与分片研磨方法36

3.2.3 自由曲面的加工路径规划39

3.35-TTRRT研磨机器人的位姿与运动规划41

3.3.1 移动平台姿态控制策略41

3.3.2 研磨工具位姿在机器人运动空间中的表达42

3.3.3 自由曲面研磨精加工的行切法轨迹规划44

3.3.4 自由曲面研磨精加工的环切法轨迹规划45

3.3.5 行切法轨迹规划与环切法轨迹规划的比较45

第4章机器人研磨自由曲面的轨迹跟踪控制策略47

4.1 滑模变结构基本理论47

4.1.1 滑模变结构控制的基本原理47

4.1.2 滑模变结构控制的特点48

4.2PD+前馈型滑模变结构补偿控制49

4.2.1 问题描述49

4.2.2 PD+前馈补偿滑模控制器设计50

4.3 仿真研究53

第5章自主作业研磨机器人的柔顺控制56

5.1 阻抗控制概述56

5.1.1 机器人阻抗控制56

5.1.2 阻抗控制模型57

5.2 机器人研磨工具端与环境的等效模型58

5.2.1 等效模型的建立58

5.2.2 研磨机器人系统的刚度系数Kp 59

5.3 基于位置的阻抗控制62

5.3.1 基于位置的阻抗控制62

5.3.2 阻抗控制中稳态力误差分析64

5.3.3 调整阻抗参数的仿真研究65

5.4 模糊阻抗控制67

5.4.1 基于模糊逻辑的阻抗控制设计68

5.4.2 常规阻抗控制与模糊阻抗控制的仿真研究71

第6章 5-TTRRT机器人研磨实验研究74

6.1 研磨材料的去除模型74

6.2 实验平台75

6.3 机器人研磨实验76

6.4 研磨工艺参数对研磨效果影响的正交试验77

6.4.1 因素水平确定77

6.4.2 各主要因素对研磨效果的影响79

6.4.3 实验结果分析80

附录82

参考文献93