面向大型自由曲面加工的全气动移动研抛机器人柔顺研抛复合控制策略研究

A hybrid control strategy including motion control, loading process control and rotational speed control is developed and verified based on typical polishing procedure for the pneumatically actuated mobile polishing robot facing large free-form surface. A globally stable and load-independent pressure observer and an inverse model-based long line time delay feed-forward compensation are constructed for light-weight design. In order to improve trajectory tracking accuracy, anti-jamming performance and compliance of the polishing robot’s motion control system, stiffness-maximizing/minimizing control is introduced into a modified adaptive robust motion controller with improved LuGre model-based friction compensation. To solve the contact stability problem when tool comes in contact with unknown environmental surface, a contact force observer is designed and a motion-type impedance control method is adopted. Furthermore, to be adaptive to different surface roughness, a modified adaptive robust force controller with stiffness-maximizing/minimizing control is proposed to implement dual-mode (flexible or rigid) force control. In polishing process, tool rotational speed is a critical factor affecting polishing quality. Therefore, to guarantee robust constant rotational speed control, an equivalent continuous model of vane-type air motor is established, and a model-based modified adaptive robust rotational speed controller is presented. According to the typical polishing procedure, a hybrid control strategy is proposed to ensure smooth and stable switch between each control stages, especially during the loading process control of pneumatic polishing actuated device. Hence, the proposed hybrid control strategy can further improve polishing quality and polishing efficiency. The achievements of the project can provide theoretical support for developing the pneumatic polishing robot facing free--form surface.

本项目以面向大型自由曲面加工的全气动移动研抛机器人为研究对象，开展其运动控制、加载过程控制和转速控制研究。为实现轻量化设计，研究全局稳定负载独立压力观测器和长管路时延逆模型的前馈补偿。为提高运动轨迹跟踪精度、抗干扰性能和研抛柔顺性，提出基于改进LuGre模型的摩擦力补偿方法及运动和刚度最值化同时控制的优化的直接自适应鲁棒控制算法；对于工具接触工件表面瞬间突发接触力对系统稳定性影响问题，研究接触力观测器和基于位置控制的阻抗控制算法；对不同粗糙度工件表面，提出柔/刚性双模研抛控制策略，研究基于力和刚度最值化同时控制的优化的直接自适应鲁棒控制；为实现鲁棒转速控制，建立叶片气马达系统连续化数学模型，提出基于模型的自适应鲁棒转速控制。根据研抛加工流程提出柔顺研抛复合控制策略，解决工具接触工件前、接触工件初期和接触工件后控制的稳定光滑切换问题，实现高质高效研抛，为控制系统研究提供重要的理论基础支撑。

本项目以面向大型自由曲面加工的全气动移动研抛机器人为研究对象，通过理论分析和试验研究相结合的方法开展了运动控制、转速控制、压力观测器和新型气动执行器的研究，并在此基础上研究了基于研抛加工流程的柔顺研抛复合控制策略。.课题研究内容和成果有：.1）完成了气动伺服系统运动和刚度最大化同时控制的复合控制算法研究.通过两对高速开关阀分别控制气缸的两腔，可实现对气缸的运动和输出刚度同时控制.刚度的最大化控制被引入来最大程度上抵抗扰动的影响，设计了切换控制器解决工具接触工件表面瞬间突发接触力对系统稳定性影响问题，最终为提高运动轨迹跟踪精度、抗干扰性能和研抛柔顺性，提出了基于改进LuGre模型的摩擦力补偿方法及运动和刚度最值化同时控制的复合控制算法以获得更高的轨迹跟踪精度。.2）设计了气动伺服系统全局稳定负载独立的压力观测器.鉴于轻量化的设计要求或者出于成本的考虑，构建压力观测器来代替压力传感器。采用李雅普诺夫稳定性理论来论证所设计的压力观测器的全局稳定性。通过作用一个变刚度的载荷于系统，以证明该压力观测器是负载独立的。.3）完成了叶片气马达建模及转速控制的研究.搭建了叶片气马达周期性、离散的腔室体积模型,对其进行傅里叶级数展开,得到叶片气马达周期性、连续的腔室体积模型。结合叶片气马达运动学模型、腔室流量数学模型以及高速开关阀阀口流量数学模型建立了阀控叶片气马达系统的数学模型。仿真与试验结果对比表明设计的控制算法具有良好的转速控制精度，同时也表明了所建立模型的有效性和可行性。.4）完成新气动执行器及其测试装置的设计.基于静压气浮原理，设计了新型的气浮无摩擦气缸；结合压电堆逆压电效应和超声振动减摩原理，设计摩擦可控的新型气缸；为了对所设计的气缸进行测试，设计了新型的气缸摩擦力测试装置和气浮无摩擦气缸的检测装置。