基于动力学特性分析的智能平衡吊柔顺控制研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 基于动力学特性分析的智能平衡吊柔顺控 制研究 RESERCH ON COMPLIANCE CONTROL OF INTELLIGENT BALANCE CRANE BASED ON DYNAMIC CHARACTERISTICS 董治祥董治祥 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2021 年年 6 月月 万方数据 国内图书分类号TP241.2 学校代码10213 国际图书分类号621 密 级公开 工工程程硕士学位论文硕士学位论文 基于动力学特性分析的智能平衡吊柔顺控 制研究 硕 士 研 究 生 董治祥 导 师 王鹏飞 副教授 申 请 学 位 工程硕士 学 科 机械工程 所 在 单 位 机电工程学院 答 辩 日 期 2021 年 6 月 授 予 学 位 单 位 哈尔滨工业大学 万方数据 Classified Index TP241.2 U.D.C 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESERCH ON COMPLIANCE CONTROL OF INTELLIGENT BALANCE CRANE BASED ON DYNAMIC CHARACTERISTIC ANALYSIS Candidate Zhixiang Dong Supervisor Associate Prof. Wang Pengfei Academic Degree Applied for Master of Engineering Speciality Mechatronics Engineering Affiliation School of Mechatronics Engineering Date of Defense June, 2021 Degree-Conferring-Institution Harbin Institute of Technology 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -I- 摘 要 目前中国已经进入老龄化社会，有效劳动力在逐步下降，人力成本在逐步 提高，与此同时工业生产的工件体积及重量都变得越来越大，单单靠人力或者 是恒速提升产品比如电动葫芦来完成搬运、对位及装配的工作已经无法满足日 常生产的需求，因此智能平衡吊这种机电一体化产品应运而生，它被广泛的用 于搬运装配工作。智能平衡吊抛弃了原有提升工业产品的遥控恒速的设定，而 是采用操作员与把手或者是操作员与负载直接接触的方式，可以实现任意速度 进行提升或下放负载的动作。然而正是由于智能平衡吊提升负载的动作是需要 操作员与负载直接接触的，因此研究智能平衡吊的柔顺性是很必要的，它直接 决定了操作员在进行人机合作作业时的平稳性与安全性。 本文针对一款自主研发的智能平衡吊，建立起了其在竖直方向上的动力学 模型，并基于此对其控制系统进行了构建及分析，提出了可变参数导纳的柔顺 控制策略，以及在悬浮模式下的防反弹控制策略，并进行了相应的仿真分析以 及实物实验分析。具体的研究内容如下所示 首先，分析了智能平衡吊上用于提升负载的钢丝绳的振动方程，对钢丝绳 参数进行分析，进而将钢丝绳看为刚性体进行分析，基于此建立智能平衡吊在 竖直方向上的提升动力学模型，分析了模型中参数对运动的影响；进而结合智 能平衡吊的工作原理，构建了其控制系统，分析其稳定性，并以负载质量作为 负反馈环节，进行了惯性力的补偿。 其次，构建了智能平衡吊的基于变参数导纳模型的柔顺控制方法，根据末 端负载速度值对导纳参数进行分段处理，以满足在智能平衡吊在低速情况下的 对位精准度要求，在高速情况下的对搬运速度的需求，并在仿真平台里面进行 了数值仿真；针对平衡吊在悬浮模式下出现的触地反弹现象，设计了相应的触 地防反弹策略。 最后，根据所设计的惯性力补偿环节以及设计的悬浮模式下的变参数的导 纳控制策略以及触地防反弹算法进行实物测试，验证了理论分析的正确性；根 据测试结果，得出了在低速情况下的导纳参数值以及在高速情况下的导纳参数 值，并确立了导纳参数变化的速度阈值；进行了悬浮防反弹控制策略的测试， 给出了触发防反弹的操作力阈值。 关键词智能平衡吊；变参数导纳控制；柔顺控制；悬浮防反弹策略 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -II- Abstract At present, China has entered an aging society, the effective labor force is gradually declining, and the labor cost is gradually increasing. At the same time, the volume and weight of industrial production workpieces are becoming larger and larger. It is no longer able to meet the needs of daily production only by manpower or constant speed lifting products such as electric hoist. Therefore, intelligent balance crane, a mechatronics product, came into being, and it is widely used for handling and assembly. The intelligent balance crane abandons the original setting of remote control constant speed for lifting industrial products, but adopts the way of direct contact between the operator and the handle or the operator and the load, which can realize the action of lifting or lowering the load at any speed. However, it is necessary to study the flexibility of the intelligent balance crane because the action of lifting the load requires direct contact between the operator and the load, which directly determines the stability and safety of the operator in man-machine cooperation. In this paper, aiming at a self-developed intelligent balance crane, its dynamic model in the vertical direction is established, and its control system is constructed and analyzed based on this. The flexible control strategy of variable parameter admittance and the anti-rebound control strategy in suspension mode are put forward, and the corresponding simulation analysis and physical experiment analysis are carried out. The specific research contents are as follows Firstly, the vibration equation of the wire rope used to lift the load on the intelligent balance crane is analyzed, and then the wire rope is regarded as a rigid body for analysis. Based on this, the lifting dynamics model of the intelligent balance crane in the vertical direction is established, and the influence of the parameters in the model on the movement is analyzed. Combined with the working principle of intelligent balance crane, its control system is constructed, its stability is analyzed, and the inertia force is compensated by taking the load quality as the negative feedback link. Secondly, the compliance control based on variable parameter admittance model of intelligent balance crane is constructed, and the admittance parameters are segmented according to the end load speed value to meet the requirements of alignment accuracy at low speed and transportation speed at high speed, and numerical simulation is carried out in the simulation plat. In view of the rebound phenomenon of the balance crane in suspension mode, the 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -III- corresponding anti-rebound strategy is designed. Finally, according to the designed inertial force compensation link, the designed admittance control strategy with variable parameters in suspension mode and the anti-rebound algorithm for touchdown, the correctness of the theoretical analysis is verified According to the test results, the admittance parameter values at low speed and high speed are obtained, and the speed threshold of admittance parameter change is established The control strategy of suspension anti-rebound is tested, and the threshold of operating force for triggering anti-rebound is given. Keywords Intelligent balance crane; Variable parameter admittance control Compliance control; Suspension anti-rebound strategy 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -IV- 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题研究背景与意义 1 1.2 国内外研究现状及分析 2 1.2.1 智能平衡吊研究现状 2 1.2.2 柔顺控制方法研究现状 6 1.2.3 研究现状综述 9 1.3 本文主要研究内容 11 第 2 章 智能平衡吊动力学模型建立及控制系统构建 12 2.1 引言 12 2.2 智能平衡吊总体设计方案 12 2.3 智能平衡吊动力学建模 13 2.4 智能平衡吊控制系统构建及分析 20 2.5 本章小结 25 第 3 章 智能平衡吊柔顺控制策略与悬浮防反弹策略 27 3.1 引言 27 3.2 智能平衡吊导纳模型的建立 27 3.3 导纳模型的稳定性分析 31 3.4 基于可变参数导纳模型的柔顺控制方法 33 3.5 导纳模型仿真实验研究 35 3.5.1 系统控制流程 35 3.5.2 导纳模型参数选择 36 3.5.3 操作力对导纳模型的输出结果分析 39 3.6 悬浮防反弹策略 40 3.7 本章小结 42 第 4 章 智能平衡吊运动实验 43 4.1 引言 43 4.2 智能平衡吊实验平台介绍 43 4.2.1 智能平衡吊硬件部分介绍 43 4.2.2 智能平衡吊软件部分介绍 45 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -V- 4.3 智能平衡吊实验内容 47 4.3.1 惯性力补偿实验 47 4.3.2 导纳参数确定实验 49 4.3.3 触地防反弹实验 53 4.4 实验结论 55 结 论 56 参考文献 58 附 录 61 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 62 致 谢 63 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -1- 第 1章 绪 论 1.1 课题研究背景与意义 本次课题来源于深圳孔雀计划仿生智能机器人系统关键技术开发与应用 研究。 随着人类工业水平的不断进步与发展，工业产品器件的体积与重量在不断 增大，与此同时，整个社会逐步进入老龄化社会，有效劳动力在逐渐减少，人 力成本在不断增加，因此普通的人力搬运已经远远无法适应工业发展的要求， 仅仅依靠人力搬运已经越来越困难，因此结合机器人技术的工业产品智能 平衡吊应运而生[1]。 在现代物料搬运过程中虽然已经使用到了机器人来代替人力进行作业，但 是由于机器人对工作环境要求较高，且成本难以控制，因此在绝大多数的搬运 工作还是单纯由人力来完成的。而对于人工来说 10kg 以上物料的搬运就已经 相当困难，虽然已经有了诸如电动葫芦和气动平衡吊用于物料搬运，其二者都 具有重力提升功能，可以承受一定的负载重量，但是前者速度单一难以精确控 制，后者所占工作面积较大，因此难以适应如今工业生产对物料搬运设备提出 的要求[2,3]。随着人类工业的发展与科技的进步，人类不断提高搬运设备的性 能，使其更加符合人类的操作习惯和适应日益更新的工程环境，开发了崭新的 人机共同合作的机电产品，称作智能辅助设备（Intelligent Assist Device）[4]， 该机电产品可以和操作员在实际生产环境中共同作业，完成物料的搬运或装配 工作。而智能平衡吊就是属于这种智能辅助设备的一种，智能平衡吊一方面具 有传统工业机器人承重能力强、精准度高和响应速度快的优势，一方面又充分 地发挥了人类高度的智能化、发达的感官能力以及高度灵活的优势，可以把其 视作人类手臂的扩展。由于该设备一直处于人类的掌控中，所以它不会像传统 机器人一样发生失控，对周围环境造成破坏，与此同时又可以有效的节省人力， 提高工业生产效率，可以将其用于对精度要求比较高的场合比如用于装配生产 线中，解决了传统物料搬运设备速度单一或占地面积比较大的问题，并且延伸 到其他工业生产活动中[5-10]。 智能平衡吊产品较之传统提升设备具有以下优势 （1）轻松搬运在进行 工件的搬运和装配工作时，全程处于零重力环境下，操作员不须使用很大的力 就可以搬运大质量物体； （2）使用方便操作者不必使用复杂的操作按钮，只 需要对负载直接施加微小力便可以完成对物料的搬运和装配； （3）高效安全 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -2- 人机共同作业，利用人类强大的判断能力可以避免危险动作的发生。综合上述 特点可以看到平衡吊作为新兴的一种人机合作的智能辅助设备，可以代替传统 提升设备来满足当前工业生产物料搬运以及装配要求，并且极大的提升了生产 效率和作业质量。因此对智能平衡吊的研究是很有必要的[11-16]。 由于目前对智能平衡吊的研究仍然处于刚刚起步并且在逐步发展的状态 [17,18]，工业生产环境比较恶劣，当把智能平衡吊用于实际生产作业时仍然存在 着很多问题。比如当在搬运过程中把物料下放至地面时会存在触地反弹问题， 在吊运大质量的物体时由于加速度的原因会存在速度波动的问题以及运行过程 中在不同工况下无法顺从的跟随人体手臂动作等问题，因此对智能平衡吊的柔 顺性研究是很有必要的。 本文通过分析智能平衡吊的动力学模型以及控制方法，分别对以上问题提 出了解决方法，对负载下放时出现的触地反弹问题，设计了悬浮防反弹判断， 限制了这种现象的发生；对于出现的速度波动问题，设计了惯性力补偿环节， 抑制速度波动现象的发生；对于运行过程中无法根据不同工况顺从的跟随人体 动作问题，设计了变参数的导纳控制方法，使其更能适应不同的工况，提高了 智能平衡吊在搬运过程中以及在装配过程中的稳定性，可以避免所搬运物料和 装配工件由于大力碰撞所造成的装配不精甚至是物料变形等问题，这对提高物 料搬运的生产效率和装配精度具有重要意义，也对智能平衡吊接下来的发展方 向提供了一种改进的方向，这也响应了国家提出的“中国制造 2025”号召， 对以后工业生产具有重要意义。 1.2 国内外研究现状及分析 1.2.1 智能平衡吊研究现状 智能平衡吊作为智能辅助设备的一种，是一种新兴的产业，主要是用于搬 运物料和工件装配生产线。该产业目前在国际社会上发展很快，早期的研究机 构都在西方国家例如美国、意大利和德国等，这些国家对智能平衡吊的研究比 较早，投入比较多，技术一直是处于行业领先的地位。中国对智能平衡吊的研 究比较晚，但是由于在机器人技术和机器人运动学以及动力学方面发展比较成 熟，因此中国已经具有了具备开发并发展智能辅助设备产业的基础[19,20]，因此 发展比较快，目前正在大跨步的赶上西方国家的发展水平。 传统的提升工具为电动葫芦，如图 1-1 所示，该设备可以实现一定重量的 负载提升功能，一般情况下只有两档提升速度，当需要精确位置的搬运作业时 极其不方便，为了这一困难，发展出了普通平衡吊，如图 1-2 所示，平衡吊采 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -3- 用气动的方式，利用四边形杆件结构来满足提升负载时随遇平衡的要求，但是 由于杆件材料的原因，容易产生连杆变形，而且同时也产生了占地面积大，搬 运困难的问题。 图 1-1 电动葫芦 图 1-2 气动平衡吊 美国斯坦利公司对 IAD设备的研究一直处于社会前列，可以说是智能辅助 设备这条道路上的先行者以及开创者，其主要原理如下图 1-3 所示，通过力传 感器和位移传感器测得操作者施加力的大小给到中间处理器，中间处理器经过 算法处理，通过获取的操作者的力信息得到人体的动作意图，将控制信息传递 给伺服电机的驱动器，驱动器驱动电机控制智能辅助设备运动，从而使机械设 备快速的响应操作者的意图，而操作者仅仅施加较小的力便可以得到非常好的 反馈效果。 图 1-3 智能辅助设备原理 斯坦利公司已经将他们的研究进行了产品化取名为“cobotics”，如下图 1-4、 1-5 所示，在它末端具有两个传感器，一个是位于手柄外部的位移传感器，它 可以及时测量出操作员所施加力的大小，从而立刻对操作者的意图做出相应； 另外一个就是位于手柄内部的称重传感器，在这种情况下，它可以允许操作者 直接对负载施加作用力，它可以同时测出所悬挂重物的重力和操作力，以此来 对操作者的意图做出响应。 美国高博公司在 2003 年也参加了对于智能辅助设备的研究，其中在技术 上表现最为突出的是 G-Force 和 Easy-Arm 这款两款平衡吊产品，如图 1-6、1- 7 所示，它采用先进工业处理器控制的伺服驱动系统，具有比较高的搬运速度 万方数据 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -4- 和比较准确的定位精度，它的参数表明，该款平衡吊最大提升质量可以达到 600kg，最大提升速度可以达到 61m/min，具有更快的加速度响应和减速度响 应，可以现场更换手柄，配置方便，同时又配有光电传感器以及断电保护，在 实现生产效率最大化的同时，也将操作员所受到的风险降到了最低。其控制方 式是通过力传感器测得操作者施加在负载或者是把手上的操作力，并将操作力 反馈给控制系统，通过比例放大或缩小转换成为速度信息来控制电机的运转。 图 1-4 STANLEY cobotics 图 1-5 STANLEY cobotics iLift 图 1-6 高博 G-Force 图 1-7 高博 Easy-arm 意大利 INDEVA 公司所研制出了工业机械搬运手 Liftruck，如图 1-8 所示， 其最大负载重量可以达到 200kg，全程由伺服电机提供动力，最大行程可以达 到 3m，最大提升速度可以达到 0.6m/s，最大功率可以达到 0.7kw，整个装置 可以完全由一个人来进行操作，有手柄模式和悬浮模式两种工作模式，工业机 械搬运手可以根据人的意愿来进行自由的上下移动。 德国耶鲁公司也早已对智能辅助设备进行了研究，耶鲁公司产品化的平衡 吊如图 1-9 所示，它可以实现操作员工与该智能辅助设备一起移动，最大提升 速度可以达到 40m/min，比传统提升设备的提升速度提高了 2 倍，同时可以实 现定位精度在 1mm 之内，具备超载保护功能，除此之外耶鲁平衡吊的手柄内 置红外传感器，当传感器没有接收到信号时，系统将会禁止设备运行，以此来 保证操作人员的安全。 中国最开始研究智能平衡吊的主要高校