CN111203808A - 高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构及其射流反作用力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构及其射流反作用力控制方法。根据喷砂除锈作业机理，喷砂枪会产生较大的射流反作用力对机器人结构的负载能力和轨迹跟踪控制两个方面产生不良影响。该机器人结构包括移动载具1和喷砂作业机构两个功能部分，喷砂作业机构包括升降机架2、升降机平台3、运动底座4、Stewart型六自由度并联机构5、钢砂输送软管6、直型刚性夹持杠杆7、喷砂枪8；该控制方法设计思路为采用建模方法将射流反作用力量化并结合自适应滑模方法进行前馈补偿，使得机器人具有较好轨迹跟踪性能。该方法结合本发明设计机器人结构实现驱动喷砂枪8进行横向或者纵向喷扫动作，从而达到高效清除钢箱梁表面锈渍的效果。

Description

高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构及其射流反作 用力控制方法

技术领域

本发明涉及大型工件喷砂清理技术领域，具体涉及高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构及其射流反作用力控制方法。

背景技术

钢铁等金属材料长期暴露在大气中必然会发生腐蚀，形成结构疏松的铁锈。目前我国因腐蚀及其影响造成的直接和间接经济损失总和约占国民经济总值的5％，腐蚀代价大于所有自然灾害损失的总和。钢铁腐蚀不仅造成大量的经济损失，而且会导致工程设备、关键结构以及基础设施损坏，进而引发灾难性事故。

钢箱梁又叫钢板箱形梁，是大跨径桥梁常用的结构形式。在大跨度缆索支承桥梁中，钢箱主梁的跨度达几百米及至上千米，一般分为若干梁段制造和安装，其横截面具有宽幅和扁平的外形特点，高宽比达到1：10左右，如附图1所示。作为大型桥梁的关键组成，钢箱梁的除锈防腐处理尤为重要。目前，除锈防腐可采用的处理方式主要有手工打磨、化学溶剂清理和喷砂。手工打磨可以打出毛面但速度太慢；化学溶剂清理则清理表面过于光滑，不利于涂层粘接。因此对于钢箱梁的除锈防腐处理，主要采用喷砂方式。喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到需处理工件表面，使工件表面的外表或形状发生变化。由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。喷砂处理是彻底、通用、迅速、高效的清理方法。喷砂处理可以在不同粗糙度之间任意选择，这是其它工艺无法实现的。桥梁钢箱梁体积庞大，常见长度达40米，宽度达16米，高度达3.5米，且表面附有很多不规则件，例如U形肋等，实现自动喷砂除锈作业具有较大难度。此外，由于钢箱梁体积庞大不易运输，其制造和防腐处理通常在离建桥不远的地方进行，所以钢箱梁的除锈防腐作业又具有一定的流动性，能实现大型钢构件自动喷砂除锈作业的设备需要随之搬迁，这就进一步加大了相关自动化设备研发的难度。当前，世界各地及我国机器人的研发及应用发展迅猛，但专门用于桥梁钢箱梁喷砂除锈作业的机器人还未问世，桥梁钢箱梁的喷砂除锈作业，基本采用人工手持操作移动喷出钢砂，不仅耗时而且劳动强度很大，喷砂过程中所产生的粉尘，对人体呼吸道影响很大，严重危害操作人员的身体健康，同时其喷砂效果取决于操作人员的素质、经验和操作水平，且工作效率较低。为此，本发明创新设计了一种高效纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人。

目前针对大型钢构件现有喷砂机器人主要有两种：天车式喷砂机器人和爬壁式喷砂机器人。爬壁式喷砂机器人具有体积小运动灵活的特点，适合于作业表面平坦的大型钢构件，多用于大型轮船船体表面的清理，面对钢箱梁这类具有各种复杂曲面的钢构件难以胜任喷砂任务。天车式喷砂机器人以芬兰博斯曼公司的喷砂机器人技术最为成熟，可以应对各种复杂的钢构件。由于钢箱梁体积巨大，不便于运输，需在桥梁施工地点就近进行喷砂表面处理，但天车式喷砂机器人需要搭建特殊厂房，且国外专利技术垄断，导致喷砂处理成本大幅上涨。因此如何解决在特定条件下大型复杂钢构件的自动喷砂清理问题，成为喷砂行业提高效率降低成本的关键。

文献《基于六维力_力矩传感器和关节力矩的仿人机器人步态补偿算法》(徐凯等，机器人，2006年)为实现仿人机器人的稳定性行走，根据足底六维力/力矩传感器信息提出了针对关节力矩的步态补偿算法，改善了仿人机器人在大负载扰动下的动态性能，并实验证明了该算法在离线实施过程中的有效性。

文献《液压六自由度并联机器人控制策略的研究》(杨灝泉等，机器人，2004年)针对大负载液压驱动六自由度并联机器人存在的非对称特性、变负载和负载交联耦合干扰问题，提出了一种具有输入、输出前馈补偿的模糊自适应PID控制策略，并实验验证了该方法可以较大程度补偿系统的非对称特性、提高系统响应速度和抗负载扰动能力。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术中存在的上述问题，以适应喷砂作业对高效率、低成本和自动化水平的更高需求。本发明提供了高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人整合结构，能够操作喷砂枪(8)对工件进行自动喷砂作业，显著提高了喷砂效率，降低了工人劳动强度，同时提高了喷砂质量，满足大尺寸、复杂形状工件的喷砂需求。

本发明的技术方案为：一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构，该机器人包括移动载具(1)和喷砂作业机构两个功能部分，移动载具(1)采用四轮独立驱动小车实现承载喷砂作业机构横纵平移，所述喷砂作业机构能够实现驱动用于夹持喷砂枪的刚性杠杆进行升降、偏转或者俯仰运动；喷砂作业机构包括升降机架(2)、升降机平台(3)、运动底座(4)、Stewart型六自由度并联机构(5)、钢砂输送软管(6)、直型刚性夹持杠杆(7)、喷砂枪(8)；移动载具(1)上承载升降机架(2)，升降机架(2)上设置升降机平台(3)，升降机平台(3)上放置运动底座(4)，运动底座(4)一端带动Stewart型六自由度并联机构(5)实现横向或者纵向运动，Stewart型六自由度并联机构(5)带动直型刚性夹持杠杆(7)进行六自由度的位姿调整，直型刚性夹持杠杆(7)上固定相连接的钢砂输送软管(6)和喷砂枪(8)，实现对钢箱梁的喷砂除锈作业。

进一步,运动底座(4)为左右偏转底座或者俯仰运动底座。

进一步,所述升降机架(2)、升降机平台(3)、运动底座、Stewart型六自由度并联机构(5)实现升降、偏转或者俯仰；升降机架(2)实现大范围的空间高度调整，运动底座带动Stewart型六自由度并联机构(5)及其负载的喷砂枪(8)进行左右横向或者上下纵向喷扫动作，使喷砂除锈并联机器人对钢箱梁的各个横倾或者竖倾斜面进行作业；Stewart型六自由度并联机构(5)对直型刚性夹持杠杆(7)进行六自由度的小范围位姿调整，以实现对附着在钢箱梁表面的U型肋不规则件的喷砂作业。

进一步,升降机架(2)的底部安装有电机带动丝杠旋转，丝杠驱动滑块运动，进而滑块带动升降机架(2)上的左右剪叉臂开合实现升降机负载平台的升降运动；运动底座(4)由电机驱动并带动Stewart型六自由度并联机构(5)左右偏转或者上下翻转，Stewart型六自由度并联机构(5)由动平台、定平台和六条支腿组成，定平台和动平台之间通过六条支腿相连，运动底座(4)和定平台相连；直型刚性夹持杠杆(7)的一端固定在动平台的中心，其另一端夹持喷砂枪(8)，通过调节六个支腿的伸缩长度进而实现改变动平台中心点的位姿，固联在动平台上的直型刚性夹持杠杆(7)上末端喷砂枪(8)的位姿也随之改变。

进一步,该机器人结构及控制方法用于各种体积巨大且表面附有很多不规则件的钢箱梁喷砂除锈作业。

一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构射流反作用力控制方法，具体步骤如下：

1)采用解析法对喷砂除锈并联机器人机构进行运动学逆解分析，进一步求得机构的运动学正解及Jacobi矩阵；

2)根据钢箱梁喷砂除锈工艺要求，确定喷砂除锈并联机器人机构末端喷砂枪8的期望运动轨迹：q＝(x,y,z,α,β,γ)^T，其中期望运动位姿分量x/y/z单位为m，位姿分量α/β/γ单位为rad；

3)分析气动喷砂作业的气固两相流流体特性建立射流反作用力模型和喷砂除锈并联机器人的动力学模型；

4)基于步骤3)所建立的射流反作用力模型和喷砂除锈并联机器人机构动力学模型，设计一种基于前馈补偿的自适应滑模控制器；

5)采用分布式结构构建喷砂除锈并联机器人机构控制系统；

6)将计算得出的喷砂除锈并联机器人机构各主动关节驱动控制量发送至各电机驱动器，使高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人机构按期望轨迹运动。

进一步,Jacobi矩阵表示为：

式中，

是喷砂枪8质心处速度向量，

单位为为m/s，

单位为rad/s；

为主动关节速度向量，

为Stewart型六自由度并联机构5的六条支腿的伸缩速度，单位为m/s；ω为运动底座4绕其旋转中心旋转的角速度，单位为rad/s；J为雅克比矩阵。

进一步,射流反作用力模型建立过程如下：

作用在气固两相流控制体上的诸力之合力：

∑F₀＝F’+P_inA_in-P_outA_out (2)

式中，F’为管道内壁对控制体内气流作用力在喷砂枪8出口轴向的分力；P_in为进口压强；P_out＝0.1mpa为出口压强；A_in为钢砂输送软管6入口截面积；A_out为喷砂枪8出口截面积；

两相流经过控制体轴向的动量变化率：

p＝q_m-inu_in-q_m-outu_out (3)

由动量守恒定理得：p＝∑F₀，即F’+P_inA_in-P_outA_out＝q_m-inu_in-q_m-outu_out，从而得到射流反作用力为：

F＝-F’＝P_inA_in-P_outA_out-q_m-inu_in+q_m-outu_out (4)

式中，q_m-in为钢砂输送软管6进口质量流量；q_m-out为喷砂枪8出口质量流量；

为钢砂输送软管6进口流速；

为喷砂枪8出口流速；

其中，

为钢砂输送软管6进口处流体密度；ρ_out为喷砂枪8出口处流体密度；x为质量含气率；

高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人机构，其动力学方程可表示为：

式中，τ为控制力矩向量；M(q)为对称正定的惯性矩阵；

为哥氏力和离心力项；G(q)为重力项；F(t)为射流反作用力项；D(t)为集总扰动项。

进一步,设计一种基于前馈补偿的自适应滑模控制器为：

令

式中e、

分别为喷砂除锈并联机器人机构末端喷砂枪8的位姿误差、速度误差；q_d、

分别为喷砂除锈并联机器人机构期望位姿向量、速度向量；

由式(6)设计滑模面：

式中，A＝diag(a₁,a₂)，a₁、a₂均为可调参数，并满足Hurwitz稳定判据；

将式(7)两端对时间进行求导得：

设计自适应律如下：

式中，λ(t)＝sgn(||S||_∞-δ)；α_i、γ_i为自适应速度的可调的正增益；δ为正的可调的参数；

结合式(5)和式(9)可得机构基于射流反作用力建模前馈补偿的自适应滑模控制器为：

四轮独立驱动小车可以承载喷砂作业机构横纵平移，位于四轮独立驱动小车上的升降机架(2)配合Stewart型六自由度并联机构(5)可以操纵夹持喷砂枪(8)的直型刚性夹持杠杆(7)的进行升降和/或俯仰(或者偏转)运动，结合移动载具(1)的平移运动和喷砂作业机构的运动，从而驱动喷砂枪实现单独的横纵平移运动、升降运动和偏转(或者俯仰)运动或者实现所述三种运动的复合运动。同时本发明设计的直型刚性夹持杠杆(7)可根据凹陷表面喷砂作业要求更换为异型结构。当面对钢箱梁中凹陷表面作业时，凭借Stewart型六自由度并联机构(5)体积小负载能力强的特点，可以操纵直型刚性夹持杠杆(7)伸入到表面凹陷处进行作业。Stewart型六自由度并联机构(5)能够在负载喷砂枪(8)和直型刚性夹持杠杆(7)重量以及高速射流反作用力的影响下操纵喷砂枪(8)以灵活多变的角度对作业面进行喷射，保证了喷砂处理后的工件表面达到清洁度Sa2.5以及粗糙度范围50um至100um的工艺标准。

本发明的有益效果在于：代替了人工喷砂作业，解决了喷砂效率低、质量差、人工健康安全等问题，实现了喷砂作业自动化；同时该机器人具有较高自由度，工作范围广，可完成多个空间位置及角度的喷砂，适用于处理具有各种复杂曲面的大型钢箱梁的喷砂除锈作业任务。该结构创新在于Stewart型六自由度并联机构(5)的应用以及直型刚性夹持杠杆(7)的发明。Stewart型六自由度并联机构(5)具有刚度大、承载能力强位置误差不累积等特点，适合于负载具有较大体积和重量的作业工具，并且可以平稳抵抗高速钢砂喷射流带来的反作用力。但由于Stewart型六自由度并联机构(5)结构紧凑导致其动平台的工作空间较小，故将Stewart型六自由度并联机构(5)的定平台通过串联的方式与运动底座(4)和升降机架(2)相连，并在动平台上设计直型刚性夹持杠杆(7)进一步扩大末端喷砂枪(8)的活动范围。该结构组合的创新保证了喷砂除锈并联机器人在具有较小体积和较高稳定性的同时，使其更加灵活地覆盖钢箱梁的每个作业面。该方法创新在于首次提出了射流反作用力这一概念并对其进行建模量化和补偿抵消。

附图说明

图1为高效横喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人的结构示意图。

图2为高效纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人的结构示意图。

图3为大型钢箱梁常见结构示意图。

图4为喷砂除锈并联机器人射流反作用力前馈补偿自适应滑模控制方法。

图5为喷砂除锈并联机器人机构控制系统。

图中：1-移动载具、2-升降机架、3-升降机平台、4-运动底座、5-Stewart型六自由度并联机构、6-钢砂输送软管、7-直型刚性夹持杠杆，8-喷砂枪。

具体实施方式

本发明的高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结合附图及实施例详细说明如下。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。图3为大型钢箱梁常见结构示意图。

如图1-2所示，本发明提供的高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人，用于带动喷砂枪8及其后数米长的钢砂输送软管6，对待处理的钢箱梁各个表面进行喷砂除锈处理。本自动喷砂除锈并联机器人，主要包括移动载具1、升降机架2、升降机平台3、运动底座4、Stewart型六自由度并联机构5、钢砂输送软管6、直型刚性夹持杠杆7、喷砂枪8。四轮独立驱动小车的轮毂及驱动电机两两对称分布，质量分布均匀确保负载较高的喷砂作业机构运行时的稳定性。同时四轮独立驱动的结构可以原地转向，转弯半径更小，运动更灵活。升降机架2的剪叉臂为双边对称的结构，采用电机驱动丝杠，丝杠带动滑块的动作方式使得升降机平台3的升降运动更加线性。相比于导轨式升降机，剪叉臂式的升降机架2结构使得自动喷砂除锈并联机器人可以对钢箱梁的上下横倾斜面(左右纵倾斜面)进行喷砂除锈处理。运动底座4主要结构为一个旋转副，允许两个构件绕公共轴线作相对转动，两个构件分别为升降机平台3和Stewart型六自由度并联机构5，从而使Stewart型六自由度并联机构5可以绕旋转副得偏转(俯仰)中心左右偏转(或者上下翻转)，便于对钢箱梁外表面以及截面凹陷处的上下部横倾斜面进行横向喷扫作业(或者左右侧竖倾斜面进行纵向喷扫作业)。Stewart型六自由度并联机构5凭借六自由度的动作特性可以灵活的调节直型喷砂杠杆7及喷砂枪8的空间位姿，使喷砂枪8以最佳的喷射角度对待处理表面进行喷砂除锈处理，从而得到工艺标准要求的表面粗糙度。

针对喷砂除锈并联机器人存在的射流反作用力问题，在动力学模型分析的基础上，考虑喷丸射流特点对射流反作用力进行建模，得到射流反作用力建模补偿估计值，并在工作空间中的广义驱动力上进行前馈补偿；将动力学模型和射流反作用力模型中存在的建模误差以及除射流反作用力以外的外界随机干扰视作系统集总扰动。针对系统存在的集总扰动，采用滑模鲁棒控制方法保证系统的鲁棒性。但由于过大的切换增益会引起系统抖振，故设计自适应律调节滑模切换增益来抑制抖振。最终设计一种基于射流反作用力建模的自适应滑模控制器来保证系统鲁棒性、提高控制精度。

如图4-5所示，喷砂除锈并联机器人射流反作用力前馈补偿自适应滑模控制方法设计，具体方法如下：

1)采用解析法对喷砂除锈并联机器人机构进行运动学逆解分析，进一步求得机构的运动学正解及Jacobi矩阵；

选取喷砂枪8质心处的位姿参数q＝(x,y,z,α,β,γ)^T作为系统广义坐标，其中x/y/z分别为喷砂枪8质心处在x/y/z轴方向的位移(单位为：m)；α/β/γ分别为连接杆中点绕x/y/z轴逆时针转动的角度(单位为：rad)。采用解析法对机构进行运动学逆解分析求得其位置逆解方程，对该方程进行求导，其逆解系数矩阵即为雅克比矩阵，表示为：

式中，

是喷砂枪8质心处速度向量，

单位为m/s，

单位为rad/s；

为主动关节速度向量，

为Stewart型六自由度并联机构5的六条支腿的伸缩速度，单位为m/s；ω为运动底座4绕其旋转中心旋转的角速度，单位为rad/s；J为雅克比矩阵。

2)根据钢箱梁喷砂除锈工艺要求，确定喷砂除锈并联机器人机构末端喷砂枪8的期望运动轨迹；

根据喷砂除锈并联机器人机构喷砂处理后的工件表面达到清洁度Sa2.5以及粗糙度范围50um至100um的表面预处理工艺要求，确定喷砂除锈并联机器人机构末端喷砂枪8的期望运动轨迹q＝(x,y,z,α,β,γ)^T，其中期望运动位姿分量x/y/z单位为m，位姿分量α/β/γ单位为rad。

3)分析气动喷砂作业的气固两相流流体特性建立射流反作用力模型和喷砂除锈并联机器人的动力学模型；

射流反作用力模型建立过程如下：

作用在气固两相流控制体上的诸力之合力：

∑F₀＝F’+P_inA_in-P_outA_out (2)

式中，F’为管道内壁对控制体内气流作用力在喷砂枪8出口轴向的分力；P_in为进口压强；P_out＝0.1mpa为出口压强(近似等于标准大气压)；A_in为钢砂输送软管6入口截面积；A_out为喷砂枪8出口截面积。

两相流经过控制体轴向的动量变化率：

p＝q_m-inu_in-q_m-outu_out (3)

由动量守恒定理得：p＝∑F₀，即F’+P_inA_in-P_outA_out＝q_m-inu_in-q_m-outu_out，从而得到射流反作用力为：

F＝-F’＝P_inA_in-P_outA_out-q_m-inu_in+q_m-outu_out (4)

式中，q_m-in为钢砂输送软管6进口质量流量；q_m-out为喷砂枪8出口质量流量；

为钢砂输送软管6进口流速；

为喷砂枪8出口流速。

其中，

为钢砂输送软管6进口处流体密度；ρ_out为喷砂枪8出口处流体密度(近似等于标准大气压下气体密度)；x为质量含气率(气体质量流量与固体质量流量之比)。

高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人机构，其动力学方程可表示为：

式中，τ为控制力矩向量(单位为N·m)；M(q)为对称正定的惯性矩阵；

为哥氏力和离心力项；G(q)为重力项；F(t)为射流反作用力项(单位为N·m)；D(t)为集总扰动项(单位为N·m)。

4)基于步骤3)所建立的射流反作用力模型和喷砂除锈并联机器人机构动力学模型，设计一种基于前馈补偿的自适应滑模控制器；

令

式中e、

分别为喷砂除锈并联机器人机构末端喷砂枪8的位姿误差、速度误差；q_d、

分别为喷砂除锈并联机器人机构期望位姿向量、速度向量。

由式(6)设计滑模面：

式中，A＝diag(a₁,a₂)，a₁、a₂均为可调参数，并满足Hurwitz稳定判据。

将式(7)两端对时间进行求导得：

设计自适应律如下：

式中，λ(t)＝sgn(||S||_∞-δ)；α_i、γ_i为自适应速度的可调的正增益；δ为正的可调的参数。

结合式(5)和式(9)可得机构基于射流反作用力建模前馈补偿的自适应滑模控制器为：

5)采用分布式结构即“上位机+下位机”结构构建喷砂除锈并联机器人机构控制系统；

以UMAC多轴运动控制器为核心控制单元，构建喷砂除锈并联机器人机构控制系统，控制系统采用“上位机IPC+下位机UMAC多轴运动控制器”的分布式结构。

6)将计算得出的喷砂除锈并联机器人机构各主动关节驱动控制量发送至各电机驱动器，使高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人机构按期望轨迹运动；

根据步骤4)中式(10)计算所得的输送机构各主动关节的驱动控制量，通过上位机编程、经由控制系统发送至喷砂除锈并联机器人机构各主动关节的电机驱动器，以驱动机构按期望轨迹运动。

以下提供本发明的两个实施例：

实施例1

如图1所示，本发明提供的自动喷砂除锈并联机器人主要用于解决大型钢箱梁喷砂作业困难的问题。其喷砂作业难点在于体积过于巨大，钢箱梁上的一些不规则的构件位置较高且存在不同程度的内陷，常规喷枪设备难以到达该空间位置且工作空间狭小，无法保证喷砂处理后合格的表面粗糙度和清洁度。因此本实施例为针对位于钢箱梁截面凹陷内部上下横倾斜面的U型肋的喷砂除锈作业的具体实施方式。

喷砂作业时，四轮独立驱动小车1将喷砂作业机构运送到钢箱梁的截面侧，使得喷砂机构和待处理作业面保持合适的距离。然后剪叉臂2将升降平台3升起到合适的高度，使得Stewart型六自由度并联机构5及直型刚性夹持杠杆7的高度接近钢箱梁截面凹陷处的上下横倾斜面。接着Stewart型六自由度并联机构5凭借其六自由度的运动特性调整直型刚性夹持杠杆7的朝向，使得夹持杠杆末端喷砂枪8的轴向和待处理表面法向量的夹角范围在0到30度之间。最后左右偏转底座将带动并联机构及其负载的喷砂枪沿着预定轨迹对U型肋这一类不规则件进行横向全覆盖喷扫动作。以上机器人工作时动作的方式以及轨迹路径既可以在作业前采用离线编程的方式规划好，也可以在作业时借助传感器反馈的信息进行在线规划。

实施例2

如图2所示，本发明提供的自动喷砂除锈并联机器人主要用于解决大型钢箱梁喷砂作业困难的问题。其喷砂作业难点在于体积过于巨大，钢箱梁上的一些不规则的构件位置较高且存在不同程度的内陷，常规喷枪设备难以到达该空间位置且工作空间狭小，无法保证喷砂处理后合格的表面粗糙度和清洁度。因此本实施例为针对位于钢箱梁截面凹陷内部左右侧倾斜面的U型肋的喷砂除锈作业的具体实施方式。

喷砂作业时，移动载具1将喷砂作业机构运送到钢箱梁的截面侧，使得喷砂机构和待处理作业面保持合适的距离。然后升降机架2将升降机平台3升起到合适的高度，使得Stewart型六自由度并联机构5及直型刚性夹持杠杆7的高度接近钢箱梁截面凹陷处的左右侧倾斜面。接着Stewart型六自由度并联机构5凭借其六自由度的运动特性调整直型刚性夹持杠杆7的朝向，使得夹持杠杆末端喷砂枪8的轴向和待处理表面法向量的夹角范围在0到30度之间。最后俯仰运动底座将带动Stewart型六自由度并联机构5及其负载的喷砂枪8沿着预定轨迹对U型肋这一类不规则件进行纵向全覆盖喷扫。以上机器人工作时动作的方式以及轨迹路径既可以在作业前采用离线编程的方式规划好，也可以在作业时借助传感器反馈的信息进行在线规划。

综上，本发明的一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人，该机器人包括移动载具1和喷砂作业机构两个功能部分，其中移动载具1承载喷砂作业机构横纵平移运动，喷砂作业机构完成驱动喷砂枪8的升降和上下俯仰(左右偏转)运动。移动载具1的平移运动与喷砂作业机构的运动相结合，驱动喷砂枪8实现横纵平移、升降和俯仰(偏转)运动或者以上三种运动的复合运动，使末端喷砂枪8可以到达工作空间中的任意位置以及多种姿态。由于本发明中喷砂枪8的夹持部分采用固联在Stewart型六自由度并联机构8动平台上的直型刚性夹持杠杆7，因此既保证了喷砂作业机构具有稳定的承载能力，又可使末端喷砂枪8到达处理各种复杂曲面所要求的位姿，从而使得该机器人能够胜任处理具有各种复杂曲面的大型钢箱梁的喷砂除锈作业任务。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构，其特征在于，该机器人包括移动载具(1)和喷砂作业机构两个功能部分，移动载具(1)采用四轮独立驱动小车实现承载喷砂作业机构横纵平移，所述喷砂作业机构能够实现驱动用于夹持喷砂枪的刚性杠杆进行升降、偏转或者俯仰运动；喷砂作业机构包括升降机架(2)、升降机平台(3)、运动底座(4)、Stewart型六自由度并联机构(5)、钢砂输送软管(6)、直型刚性夹持杠杆(7)、喷砂枪(8)；移动载具(1)上承载升降机架(2)，升降机架(2)上设置升降机平台(3)，升降机平台(3)上放置运动底座(4)，运动底座(4)一端带动Stewart型六自由度并联机构(5)实现横向或者纵向运动，Stewart型六自由度并联机构(5)带动直型刚性夹持杠杆(7)进行六自由度的位姿调整，直型刚性夹持杠杆(7)上固定相连接的钢砂输送软管(6)和喷砂枪(8)，实现对钢箱梁的喷砂除锈作业。

2.根据权利要求1所述的一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构，其特征在于，运动底座(4)为左右偏转底座或者俯仰运动底座，其中左右偏转底座为旋转副轴线垂直放置，俯仰运动底座为旋转副轴线水平放置。

3.根据权利要求2所述的一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构，其特征在于，所述升降机架(2)、升降机平台(3)、运动底座、Stewart型六自由度并联机构(5)实现升降、偏转或者俯仰；升降机架(2)实现大范围的空间高度调整，运动底座带动Stewart型六自由度并联机构(5)及其负载的喷砂枪(8)进行左右横向或者上下纵向喷扫动作，使喷砂除锈并联机器人对钢箱梁的各个横倾或者竖倾斜面进行作业；Stewart型六自由度并联机构(5)对直型刚性夹持杠杆(7)进行六自由度的小范围位姿调整，以实现对附着在钢箱梁表面的U型肋不规则件的喷砂作业。

4.根据权利要求2所述的一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构，其特征在于，升降机架(2)的底部安装有电机带动丝杠旋转，丝杠驱动滑块运动，进而滑块带动升降机架(2)上的左右剪叉臂开合实现升降机负载平台的升降运动；运动底座(4)由电机驱动并带动Stewart型六自由度并联机构(5)左右偏转或者上下翻转，Stewart型六自由度并联机构(5)由动平台、定平台和六条支腿组成，定平台和动平台之间通过六条支腿相连，运动底座(4)和定平台相连；直型刚性夹持杠杆(7)的一端固定在动平台的中心，其另一端夹持喷砂枪(8)，通过调节六个支腿的伸缩长度进而实现改变动平台中心点的位姿，固联在动平台上的直型刚性夹持杠杆(7)上末端喷砂枪(8)的位姿也随之改变。

5.根据权利要求1所述的一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构，其特征在于，该机器人结构及控制方法用于各种体积巨大且表面附有很多不规则件的钢箱梁喷砂除锈作业。

6.一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构射流反作用力控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)采用解析法对喷砂除锈并联机器人机构进行运动学逆解分析，进一步求得机构的运动学正解及Jacobi矩阵；

2)根据钢箱梁喷砂除锈工艺要求，确定喷砂除锈并联机器人机构末端喷砂枪(8)的期望运动轨迹：q＝(x,y,z,α,β,γ)^T，其中期望运动位姿分量x/y/z单位为m，位姿分量α/β/γ单位为rad；

3)分析气动喷砂作业的气固两相流流体特性建立射流反作用力模型和喷砂除锈并联机器人的动力学模型；

4)基于步骤3)所建立的射流反作用力模型和喷砂除锈并联机器人机构动力学模型，设计一种基于前馈补偿的自适应滑模控制器；

5)采用分布式结构构建喷砂除锈并联机器人机构控制系统；

6)将计算得出的喷砂除锈并联机器人机构各主动关节驱动控制量发送至各电机驱动器，使高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人机构按期望轨迹运动。

7.根据权利要求6所述的一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构射流反作用力控制方法，其特征在于，Jacobi矩阵表示为：

式中，

是喷砂枪(8)质心处速度向量，

单位为m/s，

单位为rad/s；

为主动关节速度向量，

为Stewart型六自由度并联机构(5)的六条支腿的伸缩速度，单位为m/s；ω为运动底座(4)绕其旋转中心旋转的角速度，单位为rad/s；J为雅克比矩阵。

8.根据权利要求6所述的一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构射流反作用力控制方法，其特征在于，射流反作用力模型建立过程如下：

作用在气固两相流控制体上的诸力之合力：

∑F₀＝F’+P_inA_in-P_outA_out (2)

式中，F’为管道内壁对控制体内气流作用力在喷砂枪(8)出口轴向的分力；P_in为进口压强；P_out＝0.1mpa为出口压强；A_in为钢砂输送软管(6)入口截面积；A_out为喷砂枪(8)出口截面积；

两相流经过控制体轴向的动量变化率：

p＝q_m-inu_in-q_m-outu_out (3)

由动量守恒定理得：p＝∑F₀，即F’+P_inA_in-P_outA_out＝q_m-inu_in-q_m-outu_out，从而得到射流反作用力为：

F＝-F’＝P_inA_in-P_outA_out-q_m-inu_in+q_m-outu_out (4)

式中，q_m-in为钢砂输送软管(6)进口质量流量；q_m-out为喷砂枪(8)出口质量流量；

为钢砂输送软管(6)进口流速；

为喷砂枪(8)出口流速；

其中，

为钢砂输送软管(6)进口处流体密度；ρ_out为喷砂枪(8)出口处流体密度；x为质量含气率；

高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人机构，其动力学方程可表示为：

式中，τ为控制力矩向量；M(q)为对称正定的惯性矩阵；

为哥氏力和离心力项；G(q)为重力项；F(t)为射流反作用力项；D(t)为集总扰动项。

9.根据权利要求8所述的一种高效横纵喷钢箱梁用喷砂除锈并联机器人结构射流反作用力控制方法，其特征在于,设计一种基于前馈补偿的自适应滑模控制器为：

令

式中e、

分别为喷砂除锈并联机器人机构末端喷砂枪(8)的位姿误差、速度误差；q_d、

分别为喷砂除锈并联机器人机构期望位姿向量、速度向量；

由式(6)设计滑模面：

式中，A＝diag(a₁,a₂)，a₁、a₂均为可调参数，并满足Hurwitz稳定判据；

将式(7)两端对时间进行求导得：

设计自适应律如下：

式中，λ(t)＝sgn(||S||_∞-δ)；α_i、γ_i为自适应速度的可调的正增益；δ为正的可调的参数；

结合式(5)和式(9)可得机构基于射流反作用力建模前馈补偿的自适应滑模控制器为：

。

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