面向航天器在轨维修任务的机械臂及其地面实验研究

发布时间：2017-05-24 13:19

  本文关键词：面向航天器在轨维修任务的机械臂及其地面实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,航天器在轨维修任务主要依靠人类航天员完成,但是复杂的空间环境使之极其昂贵且充满风险。面向航天器在轨维修任务的机械臂(简称“在轨维修臂”)的出现无疑是协助或代替航天员的最佳选择,国际航天界已经在理论研究和工程应用中积累了丰富的经验。然而,大多数在轨维修任务的地面验证或在轨实验只是局限于演示性的自由空间运动项目,而针对接触类工程任务的精细操作实验尚未开展或推迟进行。本文在总装备部载人航天项目的支持下,设计了一种用于接触类航天器在轨维修任务的机械臂系统,并基于建立的控制策略进行了地面实验研究。主要研究内容包括:机械臂系统的设计与分析,在轨维修臂的数学建模及关节参数辨识,基于在轨维修任务的位置控制和笛卡尔阻抗控制研究,以及对于不同控制模式的实验验证等。首先,针对航天器在轨维修任务和系统指标要求,完成了机械臂系统的设计。对不同方案进行综合分析,确定了六自由度“肘部非偏置+球形腕”的本体构型;采用局部模块化思想,设计了小转矩永磁同步电机配合大传动比谐波减速器的驱动传动系统;鉴于系统操作的柔顺性要求,设计了一种基于电阻应变原理的关节力矩传感器,并通过有限元分析和标定实验对其设计指标进行了验证;为了获得精确的关节位置信息,对旋转变压器和光电编码器的信息融合算法进行了研究与应用;设计了关节的承载零部件和仿人型臂杆,并通过静力学分析对其强度、刚度等指标进行了验证;为了达到关节的装配要求,安排了关节阻力矩测试实验。其次,建立了在轨维修臂系统的数学模型,并对关键动力学参数进行了辨识。针对逆运动学规划中的雅克比奇异问题,进行奇异分析并制定了避奇异策略;对Paul四次多项式规划算法进行了改进,解决了规划轨迹不经过期望路径点的问题;考虑到关节中存在柔性,利用机械冲击法进行了刚度辨识;对Lu Gre摩擦模型进行了研究,并通过一种简化的线性模型得到了与之近似的摩擦辨识结果;基于关节速度与控制输入量的关系,进行了一阶系统的阶跃响应分析;利用上述辨识结果直接完成了电机力矩系数的辨识,避免了复杂的实验过程。然后,研究了适用于在轨维修任务的位置控制算法,并对其进行了仿真和实验的验证。针对连续时变轨迹的跟踪要求,建立了计算力矩控制策略,并通过Simulink对该算法进行了仿真;为了验证位置控制下的轨迹跟踪效果,进行了正弦轨迹的跟踪实验;采用API激光跟踪仪测试了系统的重复定位精度,结果满足设计指标。最后,研究了满足柔顺性操作要求的笛卡尔阻抗控制算法,并通过实验验证了算法的有效性和在轨维修任务的可行性。建立了基于关节力矩传感器的笛卡尔阻抗控制策略,基于电机端的位置实现了在线重力补偿,并给出了系统的稳定性证明;通过正弦轨迹跟踪实验验证了阻抗控制下的轨迹跟踪性能,结果表明笛卡尔位置误差与轨迹规划速度相关;基于旋拧电连接器、旋拧螺钉和握手等操作任务,分别验证了系统在阻抗控制、定向阻抗控制和零力控制等三种控制模式下的工作性能;为了保证机械臂操作的安全性,安排了同刚性环境的动态碰撞实验,结果表明,系统可以稳定地实现自由空间运动状态与刚性环境的切换,这对系统本身和操作对象均起到了保护作用。
【关键词】：空间机械臂 在轨维修 笛卡尔阻抗控制 参数辨识 力矩传感器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V467;TP241
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 在轨维修臂的发展综述及分析11-17
• 1.2.1 国外发展综述11-15
• 1.2.2 国内发展综述15-16
• 1.2.3 在轨维修臂发展分析16-17
• 1.3 柔性关节机械臂控制方法综述17-20
• 1.4 本文的主要研究内容20-21
• 第2章 针对在轨维修任务的机械臂系统设计21-38
• 2.1 引言21
• 2.2 总体方案设计21-23
• 2.3 机械臂关节设计23-34
• 2.3.1 驱动传动系统设计25-26
• 2.3.2 传感系统设计26-32
• 2.3.3 承载零部件设计32-34
• 2.4 机械臂臂杆设计34-35
• 2.5 电气系统及末端执行器35-36
• 2.6 本章小结36-38
• 第3章 在轨维修臂建模及关节参数辨识38-57
• 3.1 引言38
• 3.2 运动学分析38-42
• 3.2.1 正运动学38-40
• 3.2.2 逆运动学40-42
• 3.3 运动规划42-45
• 3.3.1 Paul四次多项式规划42-44
• 3.3.2 改进的Paul四次多项式规划44-45
• 3.4 动力学分析45-48
• 3.5 关节参数辨识48-56
• 3.5.1 关节刚度辨识49-51
• 3.5.2 关节摩擦辨识51-54
• 3.5.3 阶跃响应分析54-56
• 3.5.4 电机力矩系数辨识56
• 3.6 本章小结56-57
• 第4章 基于在轨维修任务的位置控制研究57-69
• 4.1 引言57
• 4.2 在轨维修任务分析57-58
• 4.3 在轨维修臂的位置控制58-64
• 4.3.1 PD控制策略58-59
• 4.3.2 计算力矩控制策略59-60
• 4.3.3 仿真验证60-64
• 4.4 位置控制下的轨迹跟踪实验64-66
• 4.5 重复定位精度测试66-68
• 4.6 本章小结68-69
• 第5章 基于在轨维修任务的笛卡尔阻抗控制研究69-88
• 5.1 引言69
• 5.2 在轨维修臂的笛卡尔阻抗控制69-75
• 5.2.1 基于关节力矩传感器的笛卡尔阻抗控制策略70-71
• 5.2.2 在线重力补偿71-73
• 5.2.3 稳定性证明73-75
• 5.3 笛卡尔阻抗控制下的轨迹跟踪实验75-77
• 5.4 基于在轨维修任务的笛卡尔阻抗控制实验77-83
• 5.4.1 基于旋拧电连接器的阻抗控制实验77-80
• 5.4.2 基于旋拧螺钉的定向阻抗控制实验80-81
• 5.4.3 基于握手的零力控制实验81-83
• 5.5 同刚性环境的动态碰撞实验83-87
• 5.6 本章小结87-88
• 结论88-90
• 参考文献90-97
• 附录97-106
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果106-108
• 致谢108

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 黄献龙,梁斌,陈建新,吴宏鑫;EMR系统机器人运动学分析和求解[J];宇航学报;2001年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 樊绍巍;类人型五指灵巧手的设计及抓取规划的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

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本文编号：390912