隨著國家現(xiàn)代化進程的推進,大型機械臂被應(yīng)用在各個領(lǐng)域,本文以利用參數(shù)辨識方法建立機械臂的動力學(xué)模型為任務(wù),主要完成了大型機械臂的動力學(xué)建模,動力學(xué)參數(shù)辨識以及末端六維力/力矩傳感器降噪三項工作。首先,完成了大型機械臂的動力學(xué)建模。采取線性扭簧描述關(guān)節(jié)柔性,Stribeck模型描述摩擦,假設(shè)模態(tài)法描述桿件柔性,借助修改的DH參數(shù)法和浮動坐標系法完成機械臂運動學(xué)分析,然后利用Kane方法建立空載時大型機械臂的動力學(xué)模型,并借助末端六維力/力矩傳感器將建立的模型應(yīng)用到帶有末端負載的情況。介紹了機械臂的正逆動力學(xué)問題,由于機械臂的動力學(xué)模型為剛性微分方程,本文利用5階Gear法對其進行積分求解。在MATLAB中編程并完成了所建模型的數(shù)值仿真,應(yīng)用SolidWorks,ANSYS和Adams軟件建立了七自由度大型機械臂仿真模型,將其與所建立的動力學(xué)模型對比,完成了模型的驗證。其次,采取系統(tǒng)辨識的方式得到動力學(xué)模型參數(shù)。利用Lagrange法說明了柔性臂動力學(xué)模型是關(guān)于其動力學(xué)參數(shù)的線性函數(shù),然后基于Kane方法推導(dǎo)了其線性模型,并對其最小慣性參數(shù)集進行了探討。辨識軌跡選取所有關(guān)節(jié)同時高速或低速運動的兩條軌跡。對于帶有關(guān)節(jié)力矩傳感器的機械臂,采取關(guān)節(jié)和桿件參數(shù)分開辨識的方式。每個關(guān)節(jié)的參數(shù)獨立辨識,均利用MATLAB中擬合工具箱對建立的關(guān)節(jié)動力學(xué)模型擬合。桿件參數(shù)辨識有兩種方案:1)低速時辨識剛性參數(shù),高速時辨識柔性參數(shù);2)高速時同時辨識出剛性和柔性參數(shù)。為了減少一次辨識的參數(shù),采用從末端桿向基座逐桿遞推的方式辨識,可采用線性方法和非線性方法分別辨識。然后,為了提高機械臂帶載時的模型精度,提出了一種針對機械臂末端六維力/力矩傳感器的降噪方法,包括尋找匹配信號的搜索方法和自適應(yīng)層數(shù)的方法。由于分解層數(shù)會直接影響到小波閾值降噪方法的降噪結(jié)果,因而本文基于末端傳感器多路輸出信號之間的相關(guān)性分析,借助提出的搜索方法,得到一組匹配的信號,然后通過檢測不同分解層數(shù)的近似系數(shù)重構(gòu)是否保留了該匹配信號的變化趨勢,確定合適的分解層數(shù)。最后,完成了相關(guān)的仿真及實驗。利用軟件中建立的仿真模型生成參數(shù)辨識仿真數(shù)據(jù),完成并分析了機械臂低速和高速運行時對關(guān)節(jié)參數(shù)的辨識效果,以及比較了采用不同的辨識方法,不同的辨識方案對桿件參數(shù)的辨識效果。對于提出的傳感器降噪方法,進行了實驗,實驗結(jié)果表明提出的降噪方法具有一定效果。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP241
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文研制并投入使用了航天飛機的遙控機械臂系統(tǒng) SRMS、空間站的遠程遙操作機械臂系 SSRMS、日本的實驗艙遠程遙操作機械臂系統(tǒng) JEMRMS 以及歐洲的遙操作機械臂 ERA 等大型機械臂[1]，可以在惡劣環(huán)境下有效解決特殊操作任務(wù)，很大程度上提高了工作的效率。1981 年，加拿大設(shè)計的適用于航天飛機的 SRMS 投入使用，其總長度 15.2米，直徑 0.38 米，自重 480 千克，安置在航天飛機貨倉一側(cè)，如圖 1-1 所示，主要用于抓捕與投放衛(wèi)星，以及物品的搬運[2]。2001 年，加拿大為國際空間站設(shè)計的移動服務(wù)系統(tǒng) MSS 開始服役，活動基座系統(tǒng) MBS，遠距離機械手 SSRMS 和SPDM 是其主要組成部分[2]。其中 SSRMS 有 7 個可活動關(guān)節(jié)，如圖 1-2 所示，總長 17.6 米，總重 1800 公斤，可以利用兩個末端操作器交替移動實現(xiàn)換位，也可利用 MBS 進行快速移動，SPDM 可安裝在 SSRMS 末端實現(xiàn)對目標的靈巧操作。MSS 用于空間站建造和維修以及輔助飛船對接空間站[3]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文研制并投入使用了航天飛機的遙控機械臂系統(tǒng) SRMS、空間站的遠程遙操作機械臂系 SSRMS、日本的實驗艙遠程遙操作機械臂系統(tǒng) JEMRMS 以及歐洲的遙操作機械臂 ERA 等大型機械臂[1]，可以在惡劣環(huán)境下有效解決特殊操作任務(wù)，很大程度上提高了工作的效率。1981 年，加拿大設(shè)計的適用于航天飛機的 SRMS 投入使用，其總長度 15.2米，直徑 0.38 米，自重 480 千克，安置在航天飛機貨倉一側(cè)，如圖 1-1 所示，主要用于抓捕與投放衛(wèi)星，以及物品的搬運[2]。2001 年，加拿大為國際空間站設(shè)計的移動服務(wù)系統(tǒng) MSS 開始服役，活動基座系統(tǒng) MBS，遠距離機械手 SSRMS 和SPDM 是其主要組成部分[2]。其中 SSRMS 有 7 個可活動關(guān)節(jié)，如圖 1-2 所示，總長 17.6 米，總重 1800 公斤，可以利用兩個末端操作器交替移動實現(xiàn)換位，也可利用 MBS 進行快速移動，SPDM 可安裝在 SSRMS 末端實現(xiàn)對目標的靈巧操作。MSS 用于空間站建造和維修以及輔助飛船對接空間站[3]。

圖 1-3 日本實驗艙機械臂 圖 1-4 歐洲機械臂我國對于大型機械臂的研究起步較晚，國內(nèi)缺乏相應(yīng)資料的同時又難以從國外獲得技術(shù)。2007 年時，中國空間技術(shù)研究院的總體部全面開啟了空間站機械臂的研究工作，先后研制其原理樣機及工程樣機，并且完成了相關(guān)的技術(shù)研究任務(wù)[5]。國內(nèi)一些其他的科研機構(gòu)也陸續(xù)開始了空間機械臂的研究，并且碩果頗豐。如圖 1-5 所示為北京郵電大學(xué)和中科院聯(lián)合研發(fā)的空間機械手系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有6 個關(guān)節(jié)和 1 個末端操作器[6]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也研發(fā)并制造出了空間機械臂的地面原理樣機[6]，如圖 1-6 所示。哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者研究了空間機械臂柔性關(guān)節(jié)的軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)[7]，對于空間柔性機械臂動力學(xué)建模以及抓捕目標時的控制策略進行了研究[8]，也研究了同時抑制關(guān)節(jié)的振動及機械臂振動的穩(wěn)定性策略[9]。
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本文編號：2879487