基于虚拟引导力的电石出炉机器人辅助遥操作方法研究

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1、硕士学位论文基于虚拟引导力的电石出炉机器人辅助遥操作方法研究RESEARCHONMETHODSOFTELEOPERATIONGUIDANCEOFROBOTFORCALCIUMCARBIDEFURNACEBASEDONVIRTUALGUIDENCEFORCE徐昊哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文基于虚拟引导力的电石出炉机器人辅助遥操作方法研究硕士研究生：徐昊导师：刘延杰教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工

2、程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.2U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONMETHODSOFTELEOPERATIONGUIDANCEOFROBOTFORCALCIUMCARBIDEFURNACEBASEDONVIRTUALGUIDENCEFORCECandidate：XuHaoSupervisor：Prof.LiuYanjieAcademicDegreeApp

3、liedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要传统的电石出炉生产存在工人劳动强度大等问题，相关企业设计了基于主从遥操作技术的电石出炉机器人以提升电石生产的自动化水平。

4、然而，现有的主从遥操作式电石出炉机器人进行电石出炉生产中的烧眼环节存在着操作效率低，操作负担重等缺点。因此有必要在遥操作系统中引入虚拟引导力，对操作者控制远端机器人予以引导、限制等辅助，以提高生产效率。本文针对烧眼环节中烧蚀和定位两个特定场景，分别提出了基于电弧模型的虚拟引导力生成算法以及基于代价函数的目标预测算法，设计了自适应输出限制算法以保证系统稳定性。并通过实验对理论分析进行了验证。首先，针对烧眼环节中的烧蚀场景，提出了基于烧穿器电弧模型的虚拟引导力生成算法。基于交流电弧的物理特性，推导出时域非线性微分方程描述

5、的交流电弧模型，并结合实际系统的烧穿器电路系统模型，推导出烧穿器电弧模型，仿真结果验证了模型的正确性。通过烧穿器电弧模型对电弧烧蚀效率进行了研究，并设计了基于线性弹簧模型的虚拟引导力模型。其次，针对烧蚀环节中的定位场景，提出了基于代价函数的目标预测算法。利用贝叶斯法则推导出了潜在目标点概率的计算方法，并引入代价函数的概念，用代价函数和最大熵理论建立了操作者动作的概率分布模型，推导出了算法的理论基础。从距离和速度的角度分别设计了不同的代价函数，通过实验验证了基于代价函数的目标预测算法的有效性。再次，针对虚拟引导力易引起

6、遥操作系统不稳定的问题，设计了基于无源性的自适应输出限制算法。将系统描述为二端口网络模型，对系统的无源性进行分析，计算各个级联子系统的能量，预测下一采样时刻允许的最大输出力，并实时调整输出力的大小，从而抑制了虚拟引导力的振荡。并对本文所用力反馈主手的最小库伦摩擦力和最小阻尼摩擦系数进行了标定。最后，搭建实验平台并分别开展烧穿器电弧模型的参数辨识实验和基于虚拟引导力的辅助遥操作方法验证实验。前者的实验结果得到了烧穿器电弧模型参数并进一步证明了模型的正确性；后者的实验结果表明了基于虚拟引导力的辅助遥操作方法能够显著提高烧

7、眼效率。相对于目标功率产生的热量而言，在实际生产中无虚拟引导力辅助时电弧产生的热量为其73.6%，而有虚拟引导力辅助遥操作的情况下电弧产生的热量为其85.7%。虚拟引导力曲线表明了基于无源性的自适应输出限制算法有效的抑制了虚拟引导力的振荡，保证了系统的稳定性。关键词：电石出炉机器人；遥操作；电弧模型；虚拟引导力；无源性-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractCalciumcarbideisanimportantindustrialrawmaterial.Thetraditionalproductionof

8、calciumcarbidehasmanyproblemssuchaslaborintensityofworkers.Therefore,therelevantenterpriseshavedesignedarobotbasedonmaster-slaveteleoperationtechnologytoenhancetheautomation