【摘要】：機械臂系統(tǒng)在航天技術(shù)領(lǐng)域具有重要作用,尤其是在空間站的搭建以及深空探測等領(lǐng)域。一般的機械臂都會使用齒輪進(jìn)行傳動,但齒輪間隙的出現(xiàn)將影響機械臂的控制精度,降低系統(tǒng)的性能,所以研究齒輪間隙的識別算法及其機械臂系統(tǒng)控制策略具有重大價值,其重要的研究價值和工程實用性一直受到國內(nèi)外的密切關(guān)注。本文以齒輪傳動的間隙識別和機械臂的控制器設(shè)計為目的,從齒輪嚙合與碰撞,機械臂動力學(xué)、控制器設(shè)計與仿真、試驗驗證等方面進(jìn)行研究,研究工作主要從以下幾個方面展開:首先,依據(jù)齒輪嚙合傳動的原理,推導(dǎo)得到含間隙時,齒輪的數(shù)學(xué)模型;然后基于Hertz及改進(jìn)的碰撞理論,建立了齒輪間隙碰撞模型,其中,齒輪傳動的數(shù)學(xué)模型對齒輪嚙合進(jìn)行了完全描述,基于間隙建立了齒輪相對轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動量函數(shù),然后得到齒輪擠壓產(chǎn)生的嵌入量與轉(zhuǎn)動量函數(shù)的關(guān)系式,基于碰撞模型得到含齒輪間隙的嚙合傳動動力學(xué)模型,此模型是間隙識別算法的基礎(chǔ)。然后通過單關(guān)節(jié)機械臂仿真與試驗,在齒輪數(shù)學(xué)模型與含間隙的模型基礎(chǔ)上,提出齒輪傳動的間隙識別算法即小激勵波形間隙識別算法以及時間相關(guān)的相位識別算法,然后通過設(shè)計仿真工況對算法進(jìn)行實現(xiàn),并進(jìn)行單關(guān)節(jié)機械臂試驗,以驗證間隙識別算法的準(zhǔn)確性。接下來對一般空間機械臂進(jìn)行建模。利用DH參數(shù)矩陣對機械臂的構(gòu)型進(jìn)行描述,并推導(dǎo)連桿的位置、速度方程;然后基于拉格朗日方程建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程,然后推導(dǎo)得到含齒輪傳動機械臂動力學(xué)方程,并以遞推的思想給出了機械臂方程的正動力學(xué)解法和逆動力學(xué)解法。然后基于方程設(shè)計了機械臂的控制器,設(shè)計控制器具有一定的魯棒性,并通過Matlab與Simulink的求解器,完成控制器的仿真,驗證了機械臂控制器設(shè)計的可靠性。最后,基于上述的理論基礎(chǔ),利用MBsim仿真軟件與Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真,控制器分別設(shè)計為計算力矩控制、力矩前饋控制以及PI魯棒控制;并開展機械臂控制的試驗,基于Labview設(shè)計控制器,利用NI設(shè)備完成含齒輪的三關(guān)節(jié)機械臂的控制,仿真和試驗的結(jié)果表明控制器設(shè)計合理,能夠較好的對含間隙機械臂進(jìn)行控制。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文根據(jù)定義可知，直齒輪最主要的相關(guān)參數(shù)是齒輪模數(shù) m、齒 ，而模數(shù)決定齒輪是否能相互嚙合。由國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)角 統(tǒng)一定義為 20°，齒輪模數(shù)m規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)值，ah 和 c 分系數(shù)以及頂隙系數(shù)，對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪系數(shù)值一定。研究的雙齒輪嚙合系統(tǒng)參數(shù)選擇為：模數(shù) m 8，齒輪齒數(shù) z00 20，齒輪的實際厚度 s 20mm。如圖 2-1 所示：

0001 00 0 0 00 100 0 0100( ) tan( )cos( ) cos( )cos( )2 cos( ) ( (cos ( cos( ))) ( ))cos( )2 ( (cos ( cos( ))) ( ))cos(cos ( cos( )))c c c cn cncinvAA AC CAC A inv invAAC A inv invAAA (2-39)其中，在給定齒輪相關(guān)的基本參數(shù)下，需要辨識的參數(shù)為齒輪的間隙 A，與其他的相關(guān)參數(shù)雙齒輪嚙合實際間距 A、實際壓力角 、法向間隙nC 和周向間隙cC 一一對應(yīng)。后續(xù)將通過機械臂控制方法中，對主、從動輪的輸入與輸出進(jìn)行識別，，研究一定的識別算法得出周向間隙cC ，并以此類推得到間隙 A。此數(shù)學(xué)模型可為含齒輪間隙機械臂提供重要的控制方案。如圖 2-7 所示為齒輪的間隙 與實際壓力角 、法向間隙 和周向間隙 變化關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V441;TP241

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2661659