基于力感知的幕墙安装机器人控制系统研究

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进入21世纪以来,我国城市化进程的不断加快,越来越多的高层建筑拔地而起。建筑幕墙作为建筑物的主导性外围装饰品,越来越受到人们青睐,大量的室外高空幕墙的安装工程为我国建筑装饰业带来了新的发展契机。由于我国建筑业的整体机械化水平低,目前我国高空幕墙的安装大多仍旧依赖人工,不仅劳动强度大,而且危险性极高,极易出现高空坠落伤亡等各类安全事故。课题来源于国家“十二五”科技支撑计划项目(项目编号:2012BAF07B00),针对上述问题,开展高空幕墙安装的智能化施工装备的相关技术研究,旨在研发出适用于高层建筑幕墙安装的自动化施工设备。  通过对国内外建筑幕墙安装施工现状的研究,以及深入工程实地调研,得到了室外高空作业相对于一般建筑施工的特点。在此基础上,结合高空幕墙板材的大尺寸、大重量等要素,总结限制我国高层建筑幕墙实现自动化安装的技术难点,并从中提炼出本课题研究的要点。再从我国建筑业施工水平和自动化行业发展现状出发,概括出了一种适合于半自动化安装的室外高空幕墙安装的施工工艺方案,并拟定出一套现实可行的高空幕墙辅助安装系统。该机器人系统安装于专用的高空悬挂作业平台上,具有6个自由度。对幕墙安装机器人进行运动学分析,建立运动学方程,求出了运动学正解和逆解,并分析了机器人的工作空间。  论文着重对控制系统进行了研究和探讨,提出了一种基于阻抗控制的人机协作安装策略。利用两个六维力传感器分别采集操作力和幕墙与环境的接触力,由于扶手和末端执行器自重对力传感器的影响,论文研究了力传感器姿态变化时的重力补偿方法,推导出作用在传感器上的力变换到固定坐标系的公式。阻抗控制方法能充分模拟人工安装,使机器人系统的负载力、人工操作力能与环境接触力有利地匹配起来,提高系统的可适性和灵活性。  论文最后在现有机器人平台上对控制系统进行实验,主要包括力跟随实验和幕墙安装过程中感知环境接触力实验,达到了预期的目标,验证了将阻抗控制用于幕墙辅助安装的可行性与实用价值。
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