本文關(guān)鍵詞：面向航天器在軌維修任務(wù)的機械臂及其地面實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：目前,航天器在軌維修任務(wù)主要依靠人類航天員完成,但是復(fù)雜的空間環(huán)境使之極其昂貴且充滿風(fēng)險。面向航天器在軌維修任務(wù)的機械臂(簡稱“在軌維修臂”)的出現(xiàn)無疑是協(xié)助或代替航天員的最佳選擇,國際航天界已經(jīng)在理論研究和工程應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗。然而,大多數(shù)在軌維修任務(wù)的地面驗證或在軌實驗只是局限于演示性的自由空間運動項目,而針對接觸類工程任務(wù)的精細操作實驗尚未開展或推遲進行。本文在總裝備部載人航天項目的支持下,設(shè)計了一種用于接觸類航天器在軌維修任務(wù)的機械臂系統(tǒng),并基于建立的控制策略進行了地面實驗研究。主要研究內(nèi)容包括:機械臂系統(tǒng)的設(shè)計與分析,在軌維修臂的數(shù)學(xué)建模及關(guān)節(jié)參數(shù)辨識,基于在軌維修任務(wù)的位置控制和笛卡爾阻抗控制研究,以及對于不同控制模式的實驗驗證等。首先,針對航天器在軌維修任務(wù)和系統(tǒng)指標要求,完成了機械臂系統(tǒng)的設(shè)計。對不同方案進行綜合分析,確定了六自由度“肘部非偏置+球形腕”的本體構(gòu)型;采用局部模塊化思想,設(shè)計了小轉(zhuǎn)矩永磁同步電機配合大傳動比諧波減速器的驅(qū)動傳動系統(tǒng);鑒于系統(tǒng)操作的柔順性要求,設(shè)計了一種基于電阻應(yīng)變原理的關(guān)節(jié)力矩傳感器,并通過有限元分析和標定實驗對其設(shè)計指標進行了驗證;為了獲得精確的關(guān)節(jié)位置信息,對旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器的信息融合算法進行了研究與應(yīng)用;設(shè)計了關(guān)節(jié)的承載零部件和仿人型臂桿,并通過靜力學(xué)分析對其強度、剛度等指標進行了驗證;為了達到關(guān)節(jié)的裝配要求,安排了關(guān)節(jié)阻力矩測試實驗。其次,建立了在軌維修臂系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并對關(guān)鍵動力學(xué)參數(shù)進行了辨識。針對逆運動學(xué)規(guī)劃中的雅克比奇異問題,進行奇異分析并制定了避奇異策略;對Paul四次多項式規(guī)劃算法進行了改進,解決了規(guī)劃軌跡不經(jīng)過期望路徑點的問題;考慮到關(guān)節(jié)中存在柔性,利用機械沖擊法進行了剛度辨識;對Lu Gre摩擦模型進行了研究,并通過一種簡化的線性模型得到了與之近似的摩擦辨識結(jié)果;基于關(guān)節(jié)速度與控制輸入量的關(guān)系,進行了一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析;利用上述辨識結(jié)果直接完成了電機力矩系數(shù)的辨識,避免了復(fù)雜的實驗過程。然后,研究了適用于在軌維修任務(wù)的位置控制算法,并對其進行了仿真和實驗的驗證。針對連續(xù)時變軌跡的跟蹤要求,建立了計算力矩控制策略,并通過Simulink對該算法進行了仿真;為了驗證位置控制下的軌跡跟蹤效果,進行了正弦軌跡的跟蹤實驗;采用API激光跟蹤儀測試了系統(tǒng)的重復(fù)定位精度,結(jié)果滿足設(shè)計指標。最后,研究了滿足柔順性操作要求的笛卡爾阻抗控制算法,并通過實驗驗證了算法的有效性和在軌維修任務(wù)的可行性。建立了基于關(guān)節(jié)力矩傳感器的笛卡爾阻抗控制策略,基于電機端的位置實現(xiàn)了在線重力補償,并給出了系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明;通過正弦軌跡跟蹤實驗驗證了阻抗控制下的軌跡跟蹤性能,結(jié)果表明笛卡爾位置誤差與軌跡規(guī)劃速度相關(guān);基于旋擰電連接器、旋擰螺釘和握手等操作任務(wù),分別驗證了系統(tǒng)在阻抗控制、定向阻抗控制和零力控制等三種控制模式下的工作性能;為了保證機械臂操作的安全性,安排了同剛性環(huán)境的動態(tài)碰撞實驗,結(jié)果表明,系統(tǒng)可以穩(wěn)定地實現(xiàn)自由空間運動狀態(tài)與剛性環(huán)境的切換,這對系統(tǒng)本身和操作對象均起到了保護作用。
【關(guān)鍵詞】：空間機械臂 在軌維修 笛卡爾阻抗控制 參數(shù)辨識 力矩傳感器
【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】：2015
【分類號】：V467;TP241
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-21
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義10-11
• 1.2 在軌維修臂的發(fā)展綜述及分析11-17
• 1.2.1 國外發(fā)展綜述11-15
• 1.2.2 國內(nèi)發(fā)展綜述15-16
• 1.2.3 在軌維修臂發(fā)展分析16-17
• 1.3 柔性關(guān)節(jié)機械臂控制方法綜述17-20
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容20-21
• 第2章 針對在軌維修任務(wù)的機械臂系統(tǒng)設(shè)計21-38
• 2.1 引言21
• 2.2 總體方案設(shè)計21-23
• 2.3 機械臂關(guān)節(jié)設(shè)計23-34
• 2.3.1 驅(qū)動傳動系統(tǒng)設(shè)計25-26
• 2.3.2 傳感系統(tǒng)設(shè)計26-32
• 2.3.3 承載零部件設(shè)計32-34
• 2.4 機械臂臂桿設(shè)計34-35
• 2.5 電氣系統(tǒng)及末端執(zhí)行器35-36
• 2.6 本章小結(jié)36-38
• 第3章 在軌維修臂建模及關(guān)節(jié)參數(shù)辨識38-57
• 3.1 引言38
• 3.2 運動學(xué)分析38-42
• 3.2.1 正運動學(xué)38-40
• 3.2.2 逆運動學(xué)40-42
• 3.3 運動規(guī)劃42-45
• 3.3.1 Paul四次多項式規(guī)劃42-44
• 3.3.2 改進的Paul四次多項式規(guī)劃44-45
• 3.4 動力學(xué)分析45-48
• 3.5 關(guān)節(jié)參數(shù)辨識48-56
• 3.5.1 關(guān)節(jié)剛度辨識49-51
• 3.5.2 關(guān)節(jié)摩擦辨識51-54
• 3.5.3 階躍響應(yīng)分析54-56
• 3.5.4 電機力矩系數(shù)辨識56
• 3.6 本章小結(jié)56-57
• 第4章 基于在軌維修任務(wù)的位置控制研究57-69
• 4.1 引言57
• 4.2 在軌維修任務(wù)分析57-58
• 4.3 在軌維修臂的位置控制58-64
• 4.3.1 PD控制策略58-59
• 4.3.2 計算力矩控制策略59-60
• 4.3.3 仿真驗證60-64
• 4.4 位置控制下的軌跡跟蹤實驗64-66
• 4.5 重復(fù)定位精度測試66-68
• 4.6 本章小結(jié)68-69
• 第5章 基于在軌維修任務(wù)的笛卡爾阻抗控制研究69-88
• 5.1 引言69
• 5.2 在軌維修臂的笛卡爾阻抗控制69-75
• 5.2.1 基于關(guān)節(jié)力矩傳感器的笛卡爾阻抗控制策略70-71
• 5.2.2 在線重力補償71-73
• 5.2.3 穩(wěn)定性證明73-75
• 5.3 笛卡爾阻抗控制下的軌跡跟蹤實驗75-77
• 5.4 基于在軌維修任務(wù)的笛卡爾阻抗控制實驗77-83
• 5.4.1 基于旋擰電連接器的阻抗控制實驗77-80
• 5.4.2 基于旋擰螺釘?shù)亩ㄏ蜃杩箍刂茖嶒?/span>80-81
• 5.4.3 基于握手的零力控制實驗81-83
• 5.5 同剛性環(huán)境的動態(tài)碰撞實驗83-87
• 5.6 本章小結(jié)87-88
• 結(jié)論88-90
• 參考文獻90-97
• 附錄97-106
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果106-108
• 致謝108

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 黃獻龍,梁斌,陳建新,吳宏鑫;EMR系統(tǒng)機器人運動學(xué)分析和求解[J];宇航學(xué)報;2001年02期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 樊紹巍;類人型五指靈巧手的設(shè)計及抓取規(guī)劃的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

  本文關(guān)鍵詞：面向航天器在軌維修任務(wù)的機械臂及其地面實驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：390912