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双悬臂截割机器人相对动力学建模与力位混合控制研究

刘鹏 周昊晨 马宏伟 曹现刚 张旭辉 段学超 毛清华 田海波 薛旭升 王川伟

刘鹏,周昊晨,马宏伟,等. 双悬臂截割机器人相对动力学建模与力位混合控制研究[J]. 工矿自动化,2024,50(10):80-89.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024070104
引用本文: 刘鹏,周昊晨,马宏伟,等. 双悬臂截割机器人相对动力学建模与力位混合控制研究[J]. 工矿自动化,2024,50(10):80-89.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024070104
LIU Peng, ZHOU Haochen, MA Hongwei, et al. Relative dynamics modeling and force-position hybrid control of dual-arm cutting robot[J]. Journal of Mine Automation,2024,50(10):80-89.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024070104
Citation: LIU Peng, ZHOU Haochen, MA Hongwei, et al. Relative dynamics modeling and force-position hybrid control of dual-arm cutting robot[J]. Journal of Mine Automation,2024,50(10):80-89.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024070104

双悬臂截割机器人相对动力学建模与力位混合控制研究

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024070104
基金项目: 陕西省教育厅服务地方专项项目(23JC053);陕西省自然科学基础研究计划面上项目(S2024-JC-YB-2526)。
详细信息
    作者简介:

    刘鹏(1984—),男,陕西渭南人,讲师,博士,研究方向为机器人技术及应用,E-mail:liupeng@xust.edu.cn

  • 中图分类号: TD632

Relative dynamics modeling and force-position hybrid control of dual-arm cutting robot

  • 摘要: 双悬臂截割机器人可解决传统单臂掘进机在截割大尺寸断面时效率低下的难题,但其与煤岩的动态交互影响控制性能。现有研究以双臂接触同一对象形成运动闭链为前提,无法满足双悬臂截割机器人双臂运动及末端截割头输出力的控制要求。针对该问题,设计了一种基于机器人相对动力学模型的力位混合控制系统。建立双悬臂截割机器人运动学和动力学模型,基于机器人的相对雅可比矩阵及虚位移与虚功原理推导出机器人的相对动力学模型,通过单一变量同时描述机器人双臂的运动状态,将机器人双臂独立的动力学模型整合为一个整体。基于机器人的相对动力学模型,设计了机器人双臂力位混合控制系统,通过李雅普诺夫函数验证了系统的稳定性和可行性。仿真结果表明:双悬臂截割工艺较单悬臂截割拥有更大的工作空间,具有一次性实现大断面截割的能力;双悬臂截割机器人力位混合控制系统能够完成对期望相对位置和期望相对力的同步跟踪,对截割头期望位置跟踪的绝对误差在0.313 2 m以内,均方根误差为0.144 7 m。

     

  • 图  1  双悬臂截割机器人模型

    Figure  1.  Dual-arm cutting robot model

    图  2  双悬臂截割机器人结构

    Figure  2.  Dual-arm cutting robot structure

    图  3  基于相对动力学模型的双悬臂截割机器人相对位置控制器

    Figure  3.  Relative position controller for dual-arm cutting robot based on relative dynamics model

    图  4  基于相对动力学模型的双悬臂截割机器人相对力控制器

    Figure  4.  Relative force controller for dual-arm cutting robot based on relative dynamics model

    图  5  基于相对动力学模型的双悬臂截割机器人力位混合控制系统

    Figure  5.  Force-position hybrid control system for dual-arm cutting robot based on relative dynamics model

    图  6  单悬臂与双悬臂截割工艺的工作空间

    Figure  6.  Workspace for single-arm cutting and dual-arm cutting processes

    图  7  双悬臂截割机器人截割头S形运动轨迹

    Figure  7.  S-shaped motion trajectories of cutting heads of dual-arm cutting robot

    图  8  双悬臂截割机器人两截割头的期望相对位置

    Figure  8.  Expected relative position for two cutting heads of dual-arm cutting robot

    图  9  双悬臂截割机器人关节输出力变化

    Figure  9.  Joint output force variations of dual-arm cutting robot

    图  10  力位混合控制系统对截割头相对位置的控制结果

    Figure  10.  Relative position tracking results of cutting head by force-position hybrid control system

    图  11  力位混合控制系统对截割头相对力的控制结果

    Figure  11.  Relative force tracking results of cutting heads by force-position hybrid control system

    图  12  初始相对位置存在误差时力位控制结果

    Figure  12.  Tracking results of force-position with errors in initial relative position

    表  1  双悬臂截割机器人的D−H参数

    Table  1.   D-H parameters of dual-arm cutting robot

    关节编号 θi/rad di/m ai/m αi/rad
    i=1 [0, π/2] 0 a1 0
    i=2 [−π/2,0] 0 1 π/2
    i=3 [0, π/2] 0 [4.18,4.73] 0
    i=4 [−π/2,0] 0 a4 0
    i=5 [0, π/2] 0 1 π/2
    i=6 [0, π/2] 0 [4.18,4.73] 0
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    表  2  处于S形轨迹拐点处的双悬臂截割机器人关节变量

    Table  2.   Joint variables of dual-arm cutting robot at inflection points of S-shaped trajectories

    端点
    序号
    移动平台
    推移量/m
    θ2/rad θ3/rad a3/m θ5/rad θ6/rad a6/m
    1 1.0 0 π/3 4.73 0 π/3 4.73
    2 1.1 −π/2 π/3 4.18 π/2 π/3 4.18
    3 1.3 −π/2 2π/9 4.18 π/2 2π/9 4.18
    4 1.5 0 2π/9 4.73 0 2π/9 4.73
    5 1.7 0 π/9 4.18 0 π/9 4.18
    6 1.9 −π/2 π/9 4.73 π/2 π/9 4.73
    7 2.1 −π/2 0 4.18 π/2 0 4.18
    8 2.3 0 0 4.73 0 0 4.73
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-30
  • 修回日期:  2024-10-16
  • 网络出版日期:  2024-10-23

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