本文關鍵詞： 核電救災環(huán)境 機械臂 柔順作業(yè) 虛擬分解 模態(tài)切換 參數(shù)測量　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：機器人應用于特殊環(huán)境作業(yè)時,由于高溫、煙塵、輻射或強電磁干擾的存在,使得機器人控制系統(tǒng)中電子器件的使用條件更加苛刻,因而為復雜作業(yè)過程的控制帶來挑戰(zhàn)。以核電救災環(huán)境下機器人作業(yè)為例,典型救災任務包括打開主控制室大門,進入控制室關閉核反應堆;旋轉閥門關閉有毒原料管道和安全殼等。開門、擰閥門這類工況都需要機械臂完成到達、抓持、旋轉和釋放四個步驟。要完成以上四個步驟,機械臂作業(yè)過程要同時滿足控制精度、有效輸出力矩、靈巧作業(yè)空間和柔順性四個指標需求。核電救災作業(yè)過程中,傳統(tǒng)光柵式位置傳感器、應變片式力傳感器和視覺傳感器由于輻射、高溫等原因的影響不能直接應用到核電救災環(huán)境中,而具有防護能力的傳感器件性能偏低。因此需要通過針對性的控制算法和測量算法研究彌補器件性能降低及作業(yè)任務高需求帶來的挑戰(zhàn)。本文結合國家重點基礎研究計劃:“核電站緊急救災機器人的基礎科學問題研究”中的核電站救災任務靈巧作業(yè)要求,考慮控制系統(tǒng)對核電救災環(huán)境適應性,開展面向核電救災作業(yè)的機械臂虛擬分解、模態(tài)切換和運動/力信息測量算法研究。具體研究內(nèi)容包括:針對由于選用六自由度機械臂保證靈巧作業(yè)空間帶來的使用傳統(tǒng)方法建模困難的問題,本文基于虛擬分解理論將六自由度機械臂解耦成獨立的連桿和關節(jié)。同時,針對由于在機械臂的關節(jié)內(nèi)部集成了諧波減速器保證有效輸出力矩而帶來的關節(jié)柔性問題,本文將機械臂的關節(jié)柔性在傳統(tǒng)的彈簧阻尼模型的基礎上進行了解析建模,并將該解析模型進一步應用到機械臂的虛擬分解中,建立考慮關節(jié)柔性的機械臂動力學解耦模型,為實現(xiàn)多關節(jié)柔性臂的前饋控制提供依據(jù)。該方法與傳統(tǒng)拉格朗日法或牛頓歐拉法相比具有各關節(jié)動力學模型解耦和計算量小的優(yōu)點。針對核電救災作業(yè)任務中到達、抓持、旋擰和釋放不同階段的控制需求,基于虛擬分解解耦模型,設計融合位置控制、柔順控制及其模態(tài)切換控制策略的統(tǒng)一控制律。利用該方法解決開門、擰閥門作業(yè)過程中需要同時滿足精確性和柔順性的矛盾,保證作業(yè)過程的連續(xù)性。同時,為了驗證上述控制策略在機械臂核電救災作業(yè)過程中的有效性,基于動力學引擎Vortex搭建系統(tǒng)仿真平臺M2SCDyn,并在該平臺下進行開門和擰閥門系統(tǒng)仿真。仿真結果表明本文提出的控制策略可以保證到達和抓持過程精確性的同時,實現(xiàn)旋轉和釋放過程的柔順性�？紤]傳感器耐輻照能力,同時結合開門、擰閥門作業(yè)過程統(tǒng)一控制律對反饋信息的需求,本文在關節(jié)的減速器輸出端和連桿之間添加一個連桿端旋轉變壓器,提出利用電機端位置信息和連桿端旋轉變壓器信息測量關節(jié)位置和速度信息的算法。同時,本文提出不使用力傳感器的關節(jié)力矩測量算法,測量算法中利用電機電流信息、電機端位置信息和連桿端旋轉變壓器信息擬合關節(jié)的力矩信息。基于提出的電機端和連桿端位置信息脈沖正交處理的關節(jié)位置、速度和力矩測量方法,在嵌入式控制器中實現(xiàn)低精度耐輻照傳感器件對關節(jié)運動和力信息的實時有效反饋。針對核電救災中作業(yè)對象特征模型一般未知,而傳統(tǒng)的視覺傳感器進入救災現(xiàn)場受到中子射線的輻射會鏡頭發(fā)黑、失效,特殊防護的鏡頭精度降低,很難直接用于作業(yè)對象特征辨識的問題,本文在使用低分辨率鏡頭的基礎上提出了基于視覺引導和機械臂末端觸碰感知的作業(yè)對象特征辨識方法。首先通過低分辨率視覺對作業(yè)對象進行基本的判斷,進而控制機械臂末端進行觸點信息融合,來獲得需要的作業(yè)對象特征參數(shù)。在搭建的系統(tǒng)試驗平臺RCAMA-1上對該方法進行了試驗驗證。并在該方法的基礎上模擬核電救災任務進行了基于融合位置控制、柔順控制及其模態(tài)切換控制的統(tǒng)一控制律的開門、擰閥門作業(yè)試驗。
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【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM623;TP241
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本文編號：1548622