为了解决采用多连杆耦合结构的重载机械臂主缸选型计算问题,本文通过结合虚功原理及设备特点,得出一种可以快速完成重载机械臂主缸计算分析的工程化应用方法,可分析出主缸受力变化情况;同时,通过Adams动力学仿真手段,对比印证了本次算法的合理性,有效解决了现阶段该设备传统受力分析求解困难、动力学仿真技术难度高等问题。

以全液压驱动的七自由度重载机械臂为研究对象,首先根据牛顿-欧拉迭代算法建立七自由度液压重载机械臂的动力学方程并线性化处理,得到由关节运动状态、关节力矩值和最小惯性参数集组成的线性表达式;然后将机械臂按照改进的有限项傅里叶级数激励的轨迹模型进行工作实验,把实验中采集到的运动数据带入线性化处理后的动力学方程中,通过最小二乘法完成待辨识参数的计算并进行验证;最后用辨识出的动力学参数构建更为准确的液压重载机械臂的动力学模型,并制定基于动力学模型的力矩前馈补偿控制策略,同时与传统三环比例积分微分(proportional-integral-derivative,PID)控制方法进行实验对比分析,验证说明基于动力学模型的前馈控制机制能有效提高液压重载机械臂的轨迹跟踪精度。

为解决盾构机磨损滚刀的自动化更换难题,设计了一种七自由度重载机械臂,该机械臂可用于直径为6.28 m的土压平衡式盾构机的自动化换刀系统。通过分析机械臂的设计依据,利用UG设计了七自由度机械臂的三维结构,完成了对机械臂主要动力部件的设计与选型,并通过对处于盾构机三维模型内部极限换刀位姿下的机械臂进行空间装配验证,确定了机械臂的工作范围。利用ADAMS软件创建了机械臂的虚拟样机模型,对机械臂于刀箱中抽取滚刀的动作过程进行运动学仿真,得到机械臂的运动特性参数,验证了机械臂结构设计的可行性和合理性。

电液伺服系统具有高度非线性,且模型存在大量不确定性,设计的控制器易出现抑制干扰能力差和轨迹跟踪精度低等问题。为此,设计了一种基于自适应的积分鲁棒控制器,用于对重载机械臂的阀控马达进行控制。通过不连续参数映射实现参数自适应,改善参数不确定性。利用误差符号积分项,补偿外干扰的不确定性。仿真结果表明:该控制器具有良好的干扰抑制能力,能显著地提高电液伺服系统的跟踪精度。

主要研究转速和排量复合控制电动静液作动器(EHA-VSVP)系统在重载机械臂中的应用。在满足重载机械臂需求的基础上,利用AMESim和MATLAB建立液压系统和控制系统的仿真模型。为解决系统存在的相乘非线性耦合问题,使用分配解耦的控制策略,配合AMESim和MATLAB的联合仿真技术对系统进行仿真分析,从阶跃响应和正弦响应的角度探究系统的稳定性。仿真结果表明:所设计的EHA-VSVP系统原理正确,满足性能需求。该系统所使用的控制策略可以很好地解决相乘非线性问题,且权重分配具有一定的理论依据,可以满足控制需求。

通过遥操作机械臂对核聚变实验堆装置进行内部维护是核聚变实验遥操作维护系统的重要任务之一。由于在遥操作维护中机械臂的关键关节将承担超大负载,且要求其中间预留电缆走线通道等特殊结构要求,需要对关键关节的主减速器进行特殊设计。以2K-HNN型多行星齿轮机构作为模型,分析了需要考虑的机构约束条件和设计条件,通过编程筛选获得满足条件的齿数组合,校核计算危险齿轮强度和传动效率,得到了一种承载能力高、结构紧凑的重载遥操作机械臂关节减速器的设计方案。