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针对实现用小型装备对大型自由曲面进行精整加工的目标,利用移动操作机器人具有较好的操作灵活性和工作空间大的特点,本文对研磨大型自由曲面自主作业机器人机械结构及相关关键技术进行了研究。重点针对研磨大型自由曲面自主作业机器人的曲面重构与定位方法,5-TTRRT机器人运动学动力学建模、运动规划与运动控制、主被动结合的柔顺控制方式等进行了深入论述。作者研制了一种5-TTRRT机器人沿大型自由曲面运行时,对待加工区域的曲面重构与定位方法。利用基于单目视觉加结构光的手段实现机器人工作空间内曲面三维重构技术,研制了曲面重构与定位的算法,该算法可以实现研磨机器人在一个待加工区域的三维曲面模型重构,还可以通过提取重构后曲面模型的数据与边界,获得待加工曲面在机器人坐标系中的位姿,为后续的运动规划提供定位基础。通过对研磨机器人机械结构和运动特性的分析,利用D-H法建立了一体化运动学模型,并利用拉格朗日力学法建立动力学模型,并针对采用拉格朗日方法建立的5-TTRRT动力学模型,进行了动力学仿真,为后续运动规划及控制奠定了基础。根据自由曲面的特征,分析了自由曲面的分片规划与分片研磨方法,阐述了对应的分片算法。分析了5-TTRRT研磨机器人的位姿与运动规划情况,提出了本文研制的机器人进行大型自由曲面研磨精加工的行切法和环切法轨迹规划内容。行切法路径规划使得研磨工具的每次切削运动表现为一个直线运动和一个转动的二维空间组合,环切法路径规划使得研磨工具的每次切削运动表现为一个直线运动、一个转动与一个摆动的三维空间组合。根据机器人完整动力学模型,对本文的5-TTRRT机器人轨迹跟踪控制策略,构建了PD+前馈型补偿控制策略,应用滑模变结构设计了一个具有时变边界层的补偿控制律,并进行了仿真研究,结果表明了该控制策略的可行性,可作为后续基于位置阻抗控制的位置控制环部分。分析了机器人力控制系统中的主动结构与被动结构,应用力/位置混合控制理论,采用阻抗控制将力控制和位置控制纳于一个框架之内,研究了固定目标阻抗情况下的基于位置的阻抗控制,并进行了仿真研究。随后从模拟人手工研磨的力控制角度,研究了调整目标阻抗参数的方法,设计了基于目标阻抗模糊自适应阻抗控制方法,并针对该方法进行了仿真研究,结果表明,该方法能够较好的实现环境参数已知情况下的力跟踪。建立了5-TTRRT机器人的硬件实验系统,进行了研磨作业的实验研究。在研磨工具头不同姿态时,对研磨效果的影响因素进行了分析,并得出研磨姿态控制参数,实验结果证明了5-TTRRT机器人设计的可行性与合理性。