回转壳体内表面打磨机器人应用非常广泛,如固体火箭发动机是战术导弹的最常用动力源,为了保证导弹在飞行过程中推进力稳定,必须对发动机壳体内的隔热层进行打磨,但目前打磨大多依靠人工完成。由于对发动机燃烧室结构的要求,为了保证发动机推力性能,其壳体内壁表面多为非结构环境,人工打磨不但效率低,而且精度无法得到保障。因此,实现自动化打磨非常必要。本文针对固体火箭发动机壳体内隔热层的自动化打磨问题,以4-DOF开放式打磨机器人系统为典型研究对象,重点研究了回转壳体内表面非结构环境的自动探测和打磨控制方法,在理论研究的基础上进行了相关的数值仿真和大量的实验研究,主要研究内容及成果如下:(1)以固体火箭发动机壳体内隔热层的自动化打磨问题为背景,对小开口、细长回转壳体内壁表面的打磨过程及方法进行了分析,研究了打磨机器人的基本结构和控制系统组成,对打磨机器人的任务系统进行了分解与规划。对适应小开口、细长回转壳体内壁表面打磨的一类4-DOF开放式打磨机器人系统的运动学和动力学进行了分析,建立了打磨机器人的模型。(2)提出了基于激光传感器对未知非结构环境表面探测和建模方法。由于固体火箭发动机型号各异,其壳体内壁的结构尺寸都不相同,且由于工艺原因与其设计图纸不完全相符,在打磨作业前,需对其内表面进行探测识别。本文提出了平移法和步行法两种对不确定环境的探测方法,对发动机壳体回转内表面的纵向母线进行测量,得到一系列能够反映曲面起伏、变化的特征点,以这些特征点构成纵向母线的基本信息,由多条纵截线构造出回转壳体的内表面的模型。通过数值仿真研究了探测过程中关键测量参数的选择对探测精度的影响,并在得到特征点信息后采用不同的拟合方法构建环境模型,分析了拟合方法对模型精度的影响。(3)针对由模型误差引起的隔热层打磨过程中存在的机械臂末端与壳体内壁表面发生的反复振荡冲击问题,提出了在力/位置混合控制方法中避免机械臂发生振荡的判据。对打磨过程中的力和位置控制过程进行了研究,分析了控制器参数与打磨力响应的关系,并针对被打磨表面模型存在误差的问题,分析了环境模型误差的大小和变化频率(主要取决于机械臂移动速度与壳体转动速度的合成速度)对控制效果的影响,通过对使机械臂不脱离被打磨表面所应满足条件的研究,提出了避免机械臂末端与壳体内壁表面发生剧烈振荡的判据。并通过仿真研究验证了当控制器参数符合判据时机械臂将不脱离被打磨表面,避免了打磨过程中机械臂与壳体内壁表面间发生反复的振荡冲击。(4)分析了模型误差对打磨力控制过程的影响,在传统阻抗控制方法的基础上引入了基于力和位置信息的模糊预测方法,提出了在阻抗控制方法中使机械臂不发生振荡的判据。采用阻抗力控制和智能控制相结合的控制方法,提出了参考轨迹的模糊预测算法。将由激光探测获得的壳体内表面结构模型应用于参考轨迹的计算,并引入调节因子,根据位置传感器和力传感器的反馈,建立模糊调节规则,通过调节因子对当前控制周期的参考轨迹变化量进行调整,使机械臂在打磨过程中能够适应环境模型的误差和未知的刚度变化。分析了打磨过程中模型误差和被打磨表面刚度变化对机械臂运动的影响,得到了判断机械臂是否脱离被打磨表面的判据。通过仿真研究验证了模糊阻抗控制方法的有效性和判据的正确性。(5)开展了大量的实验研究。采用所提出的环境探测方法对发动机壳体内表面进行了测量和建模,建立了存在一定误差的环境模型,并在此基础上进行力控制实验。实验结果表明,所提出的探测方法能够测量并建立发动机回转壳体内表面的模型,且当控制器参数符合机械臂不发生振荡的判据时,所提出的力/位混合控制方法和模糊阻抗控制方法在环境模型存在误差时,仍能较好地适应模型的误差,不发生机械臂脱离被打磨表面的现象,使打磨力稳定在其期望值附近,平均误差在20%之内,取得较好的打磨效果。对两种力控制方法的力响应曲线进行对比分析,并通过对不同精度的模型基础上进行的力控制响应曲线的对比分析,研究了模型误差对打磨力控制的影响,验证了所提出控制算法和判据的有效性。