第1章 绪论 1 1.1 打磨机器人概述 1 1.2 风机叶片的结构及制造工艺 2 1.2.1 风机叶片的结构设计 2 1.2.2 风机叶片的材料选择 3 1.2.3 风机叶片的制造工艺 4 1.3 移动机械手的研究概述 6 1.3.1 移动机械手的组成与特点 6 1.3.2 移动机械手的国内外研究状况 7 1.3.3 移动机械手技术在机械加工中的应用 10 1.4 移动机械手的关键技术 12 1.4.1 移动机械手的运动规划 12 1.4.2 移动机械手的协调控制 13 1.4.3 移动机械手的力控制 15 1.5 本书的主要内容 17 第2章 打磨机器人的总体方案 19 2.1 叶片打磨原理 19 2.1.1 叶片打磨方法 19 2.1.2 砂轮位姿分析 20 2.2 打磨系统方案 21 2.2.1 系统方案分析 21 2.2.2 打磨机器人的结构方案 24 2.3 打磨机器人的控制策略 25 2.3.1 叶片维护的工艺流程 25 2.3.2 机器人控制策略分析 25 第3章 打磨机器人的运动分析 32 3.1 移动平台运动学分析 32 3.1.1 微分几何非线性控制理论 32 3.1.2 非完整系统描述 34 3.1.3 移动平台的运动学模型 35 3.1.4 移动平台的可控性分析 38 3.2 打磨机器人运动学分析 38 3.2.1 机械手的正运动学模型 38 3.2.2 打磨机器人的正运动学模型 40 3.2.3 打磨机器人的运动约束方程 42 3.2.4 打磨机器人的冗余特性 43 3.2.5 打磨机器人的逆运动学分析 44 3.2.6 打磨机器人的工作空间 46 3.3 叶片的结构及参数 48 3.4 打磨机器人的轨迹规划 50 第4章 打磨机器人的动力学分析 54 4.1 移动机械手的动力学模型 54 4.2 子系统动力学模型 59 4.2.1 移动平台动力学模型 60 4.2.2 机械手动力学模型 62 4.3 机器人系统的耦合特性分析 62 4.3.1 机器人机构仿真模型 63 4.3.2 耦合力对子系统的影响分析 64 4.4 基于整体动力学的控制分析 66 4.4.1 控制律的设计 67 4.4.2 仿真分析 71 第5章 打磨机器人的控制策略 74 5.1 自由运动状态轨迹跟踪控制 74 5.1.1 移动平台的反步跟踪控制 75 5.1.2 机械手的比例微分加前馈补偿控制 79 5.1.3 仿真分析 81 5.2 接触作业状态的操作力控制 84 5.2.1 主动柔顺控制 84 5.2.2 阻抗控制的实现方法 87 5.2.3 操作力的阻抗控制 89 5.2.4 仿真分析 91 第6章 风机叶片打磨作业的仿真实验 94 6.1 作业系统坐标系的建立 94 6.1.1 环境坐标系的建立 94 6.1.2 砂轮相对叶片的位姿描述 95 6.1.3 叶片相对机器人基坐标系的位姿描述 96 6.1.4 机械手的关节速度 97 6.2 磨削力的分析 98 6.3 叶片打磨过程的控制模型 99 6.4 仿真实验 101 参考文献 114
第1章绪论
1．1 打磨机器人概述
伴随着工业4．O、物联网、云计算和大数据的不断发展，以智能制造为主导
的新工业革命已来临。国务院于2015年5月印发的《中国制造2025》是中国实
施制造强国战略第一个十年的行动纲领，它推动了我国低端制造业向高端化和智
能化的转型升级，且明确指出了机器人等十大领域的发展思路。工业机器人
作为一种可编程和多功能的辅助工业生产的操作机，是提高工业生产过程自动化
程度和产品质量的重要载体。工业机器人的发展通常分为三个阶段：第一代机器
人为示教再现机器人，机器人工作时通过读取事先存储的示教信息，实现执行机
构的示教操作；第二代机器人已具备视觉、触觉等功能，可以完成较为复杂的检
测、装配、探测等作业；第三代机器人为具备自主学习和自主决策能力的智能机
器人。
在工业制造领域中，诸如汽车行业的发动机缸体、缸盖、变速箱壳体、汽车
轮毂，航空与能源行业的发动机叶片、涡轮叶片，3C行业的笔记本电脑、电视、
手机等需要在焊接、铸造、成型或加工后进行打磨抛光后处理。打磨机器人作为
工业机器人的一种，近年来在相关领域得到了广泛的应用。由于打磨现场往往存
在粉尘和噪声等污染，且人工打磨存在劳动强度大、作业精度低等不足，所以打
近年来，风能作为一种蕴藏丰富、分布广泛、清洁且可再生的能源，已经逐
渐成为很多国家可持续发展战略的重要组成部分，并取得了突飞猛进的发展。叶
片是风电机组中关键的部件之一，使用一段时间之后不可避免地在叶片前缘会形
成一个由昆虫和脏物组成的边界，这个边界会导致叶片表面质量降低。此外，风
沙和盐雾侵蚀也会破坏叶片表面质量，甚至影响到叶片的使用寿命和安全。如不
对这些受到破坏的叶片进行及时的修复，将会导致叶片配重的失调，从而引起传
动系统的不正常工作，如变速箱中齿轮不规则的摩擦将导致磨损的加剧，并产生
大量的热，严重的可能产生自燃爆炸。针对叶片在运行过程中遇到的这些问题，
的解决方法是对叶片进行打磨修复。
本书提出利用机器人代替人工进行风机叶片的打磨作业，并根据风机叶片打
磨作业的要求和特点，设计出适合的机器人系统。打磨机器人的使用可以替代叶
片打磨的人工劳动或减轻工作强度，提高叶片加工和维修的效率和质量，降低生
产成本。
1．2 风机叶片的结构及制造工艺
风机叶片技术主要包括结构设计、材料选择和制造工艺三个方面。
1．2．1风机叶片的结构设计
风机叶片的设计目标是在保证叶片结构能够满足强度和刚度要求的前提下，
实现输出的功率化，材料的消耗和振动化，且要避免共振的发生，保证
叶片运动过程中局部和整体的稳定，这些要求和目标之间相互制约，甚至相互矛
盾，所以设计过程是一个反复取舍和优化的过程¨5J。
叶片结构主要是基于相关规范进行设计的。目前的设计规范主要包括国际电
工委员会(International Elecl：rotechnical Commission，IE(：)国际标准和德国劳
埃德船级社(Getmanischer Lloyd WindEngergie GmbH，GL)标准。叶片翼型
通常采用NACA系列和Gottigen系列，这两种翼型具有阻力小、效率高、雷诺
数足够大等特点。尽管不断有新的翼型出现，但NACA系列仍是代表性的
翼型。风机叶片结构设计的目的是使叶片以尽量小的质量获得尽量大的扫风面
积，从而具备的捕风能力。目前，丹麦和德国的叶片技术成熟，很多其
他国家均以它们为标准来设计和生产叶片。德国的Ener-con公司通过对叶片结构
进行研究，发现增加叶片旋转直径可明显提高捕风能力和气动效率。该公司对大
直径叶片的结构和型面进行了改进，通过在大直径叶片的端部安装辅翼，实现对
风机运行过程中产生的扰流和漩涡的抑制和消除。该公司通过改进叶片根部的结
构，并增加叶径的长度，同时减小叶片的外形截面，从而提高发电机主舱附近的
捕风能力。丹麦LM公司通过对叶片根部固定方案进行改进，实现了在不增加根
部直径的情况下，使叶片长度增加20％，而该公司的叶片预弯曲技术降低了叶
片的重量，提高了产能。其他国家和地区也都结合当地的风力情况，因地制宜，
设计出小型或大型、刚性或柔性结构的各类叶片。
我国政府从20世纪90年代开始，通过国家科研项目实现对风机叶片研发的
支持，先后发布了《可再生能源中长期发展规划》和《可再生能源发展“十一
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