复杂型面构件超声自动检测轨迹跟踪控制

　　超声检测是复杂型面构件最常采用的检测手段。为提高检测效率和测量精度,超声自动检测方法及相应的系统开发成为目前复杂型面构件无损检测一个重要内容。

　　在获得检测轨迹后,需确保检测过程中检测机器人能很好地实现对既定轨迹的跟踪。然而实际的复杂型面构件超声自动检测系统,由于受摩擦、时滞、外 部干扰等非线性和不确定因素的影响,检测过程如何实现平稳和高精度的轨迹跟踪,一直是复杂型面构件超声自动检测中需要解决的一个关键问题。

　　针对此问题,本文在对超声检测机器人的动力学建模的基础上,利用滑模控制理论,对复杂型面构件超声自动检测过程中的轨迹跟踪控制进行了研究,提出了轨迹跟踪滑模控制方案。

　　1　超声检测机器人动力学建模

　　本文研究的水浸式超声自动检测系统是一个五自由度机器人[1-2],如图1所示,由五根连杆(L1、L2,L3、L4、L5),三个移动关节 (A1、A2、A3),两个转动关节(A4、A5)组成一个空间开式运动链,链的一端固定在基座L0上,另一端自由,用以安装超声检测探头。图1中 x,y,z分别表示检测机器人移动关节的变量值,α,β分别表示转动关节的变量值。

　　按照D-H方法建立如图2所示的连杆坐标系,其中坐标系O2X2Y2Z2和O3X3Y3Z3间、O4X4Y4Z4和O5X5Y5Z5间是刚性联接的。根据牛顿欧拉法得到该超声检测机器人的动力学模型为:

　　D(q) q··+h(q,q·)+G(q) =τ(1)

　　式中,q= [q1,q2,q3,q4,q5]T= [x,y,z,α,β]T,表示超声检测机器人各关节的位移(或角位移)矢量, q·q··分别表示各关节的速度(或角速度)矢量、加速度(或角加速度)矢量。D(q)为5×5的质量矩阵,h(q,q·)为5×1的离心力和哥氏力矢 量,G(q)为5×1的重力项矢量,τ为5×1的广义力矩阵。各矩阵和矢量的表达式及具体推导见文献[3-4]。

　　2　滑模控制器设计

　　式(1)描述的是一个较复杂的控制系统,同时,在复杂型面构件超声检测过程中,受检测面曲率变化及检测系统的摩擦、时滞及外部干扰等因素影响, 实际系统具有非线性和不确定性等特点。由于滑模变结构控制对控制对象模型精确度要求不高,且对一类有界干扰和参数变化具有不敏感性[5],因此滑模控制对 超声检测机器人的轨迹跟踪控制比较有利。

　　对应于超声自动检测机器人轨迹跟踪控制统,设给定的检测轨迹,即关节的期望运动为qr(t)和q·r(t),定义:

　　3　实验验证

　　实验使用的五自由度超声自动检测机器人的各杆件质量与尺寸:连杆(含固定在其上的装置)L1、L2、L3、L4、L5的质量分别为40kg、130kg、20kg、3kg、1·5kg,尺寸分别为1000mm、300mm、800mm、165mm、50mm。