空间机械臂传感系统及关节振动抑制研究

发布时间：2022-12-04 02:29

　　我国2005年确立了空间站建设计划,根据空间机械臂在国际空间站上的任务,舱外空间机械臂是空间站建设和维护、载荷照料、表面损伤检查、在轨可更换单元更换以及宇航员舱外辅助等的必要工具。空间机械臂除了要完成上述复杂多样化的任务之外,还要在高辐射和大温差等恶劣环境下长期稳定工作。本文结合XXX机械臂研制项目,主要开展了空间站机械臂多感知关节系统设计、机械臂末端六维加速度传感器设计及其在振动抑制中的应用研究。为满足空间机械臂长寿命、高可靠性、任务复杂多样以及可维护性高等要求,在大中心孔关节机械结构基础上,设计了基于CPU+反熔丝FPGA架构的关节多感知控制系统。采用冷备份设计,主备份系统结构功能相同,通过母版实现内部互联,提高了系统的可靠性和可维护性。为实现空间机械臂的灵活性和任务多样性,设计了冗余的传感器子系统。在不改变关节位置测量精度的前提下,通过数字霍尔将绝对式旋转变压器由单圈位置测量扩展到双圈位置测量,提高了关节的有效运动范围。为克服空间环境下长时间工作和温差变化大导致的力矩传感器零点漂移,设计了 DA补偿电路,提出了兼顾故障检测的力矩漂移补偿策略。通过软硬件相结合,实现了关节力矩传感器... 

【文章页数】：164 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 空间机械臂及关节控制系统研究现状
        1.2.1 国内外空间机械臂研究现状
        1.2.2 空间机械臂关节控制系统研究现状
    1.3 六维加速度传感器的研究现状
    1.4 机械臂振动抑制研究现状
        1.4.1 基于模型的振动抑制
        1.4.2 不基于模型的振动抑制
    1.5 论文的主要研究内容
第2章 空间机械臂多感知关节系统设计
    2.1 引言
    2.2 空间机械臂关节结构设计
        2.2.1 空间机械臂关节机械结构概述
        2.2.2 空间机械臂电气系统设计
    2.3 空间机械臂多感知关节传感系统设计
        2.3.1 关节传感系统构成
        2.3.2 关节位置传感器设计
        2.3.3 关节力矩传感器设计及漂移补偿研究
        2.3.4 关节电机电流传感器设计
    2.4 空间机械臂多感知关节驱动系统设计
        2.4.1 SVPWM的数学基础
        2.4.2 基于FPGA的SVPWM电流闭环IP核设计
        2.4.3 基于FPGA的SVPWM电流闭环实现
        2.4.4 基于FPGA的SVPWM电流闭环实验验证
    2.5 空间机械臂多感知关节控制器设计
        2.5.1 关节控制器硬件设计
        2.5.2 关节控制器软件设计
    2.6 本章小结
第3章 六维加速度传感器设计及误差补偿研究
    3.1 引言
    3.2 六维加速度传感器设计
        3.2.1 加速度测量原理
        3.2.2 六维加速度传感器空间几何构型设计
        3.2.3 六维加速度解耦
        3.2.4 六维加速度传感器低频性能分析
        3.2.5 六维加速度传感器可行性仿真验证
    3.3 六维加速度传感器构型评价和可靠性分析
        3.3.1 六维加速度传感器构型评价
        3.3.2 六维加速度传感器可靠性分析
    3.4 六维加速度传感器误差分析
        3.4.1 线加速度计输出误差分析
        3.4.2 线加速度计安装误差分析
        3.4.3 六维加速度传感器测量误差分析
    3.5 六维加速度传感器标定和误差补偿
        3.5.1 六维加速度传感器样机
        3.5.2 六维加速度传感器标定
        3.5.3 六维加速度传感器误差补偿方法
        3.5.4 六维加速度传感器误差补偿验证
    3.6 本章小结
第4章 空间机械臂关节参数辨识与力矩特性研究
    4.1 引言
    4.2 空间机械臂关节建模及其非线性分析
        4.2.1 空间机械臂关节动力学建模
        4.2.2 空间机械臂关节的非线性分析
    4.3 空间机械臂关节变采样周期速度计算
        4.3.1 变采样周期测速原理
        4.3.2 变采样周期测速验证
    4.4 空间机械臂关节模型参数辨识
        4.4.1 基于RTX的关节参数辨识平台
        4.4.2 关节力矩系数和摩擦力辨识
        4.4.3 关节刚度和阻尼辨识
    4.5 空间机械臂关节力矩特性研究
        4.5.1 空间机械臂关节输出力矩阶跃响应
        4.5.2 空间机械臂关节输出力矩频率响应
        4.5.3 空间机械臂关节输出力矩迟滞
    4.6 本章小结
第5章 基于加速度传感器的关节振动抑制研究
    5.1 引言
    5.2 加速度反馈控制分析
        5.2.1 机械臂加速度级逆运动学分析
        5.2.2 理想刚性关节加速度反馈控制
        5.2.3 柔性关节加速度反馈分析
        5.2.4 柔性关节加速度反馈控制器的稳定性证明
    5.3 基于加速度反馈的关节振动抑制分析
        5.3.1 加速度与其它反馈振动抑制对比分析
        5.3.2 加速度与其它反馈抗扰性对比分析
    5.4 基于加速度反馈的关节振动抑制验证
        5.4.1 基于加速度反馈的关节振动抑制仿真
        5.4.2 基于加速度反馈的关节振动抑制实验
    5.5 本章小结
结论
参考文献
附录A 六维加速度传感器构型矩阵推导
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历


【参考文献】：
期刊论文
[1]DARPA地球静止轨道机器人项目综述[J]. 闫海江,范庆玲,康志宇,肖余之.  机器人. 2016(05)
[2]双惯量弹性负载系统机械谐振机理分析及谐振特征快速辨识[J]. 杨明,郝亮,徐殿国.  电机与控制学报. 2016(04)
[3]冗余空间机械臂的运动学和笛卡尔阻抗控制方法[J]. 董晓星,李戈,刘刚峰,赵杰.  中国机械工程. 2014(01)
[4]RTX在实时控制系统中的应用[J]. 王丰,刘娜,肖雅静,赵岁花.  电子工业专用设备. 2012(11)
[5]13加速度计捷联惯导姿态解算方法（英文）[J]. 覃方君,李安,许江宁.  中国惯性技术学报. 2011(06)
[6]具有力矩传感器的柔性关节的振动抑制[J]. 郭闯强,倪风雷,孙敬颋,刘宏.  机器人. 2011(04)
[7]基于加速度计阵列的舰船波浪运动检测[J]. 陈爱国,叶家玮,陈远明.  深圳大学学报(理工版). 2010(03)
[8]无陀螺系统构型安装误差标定及补偿方案分析[J]. 杨华波,蔡洪,张士峰.  宇航学报. 2008(06)
[9]柔性关节机器人基于柔性补偿的奇异摄动控制[J]. 刘业超,金明河,刘宏.  机器人. 2008(05)
[10]一种简化的无陀螺惯导系统安装误差校准方法[J]. 覃方君,许江宁,傅军,周红进.  测试技术学报. 2008(02)

博士论文
[1]空间自定位机械臂末端执行器及其捕获与锁紧的研究[D]. 韩锋.哈尔滨工业大学 2015
[2]轻型机械臂系统及其基于无源性理论的柔顺控制研究[D]. 张奇.哈尔滨工业大学 2014
[3]空间大容差末端执行器及其软捕获策略研究[D]. 丰飞.哈尔滨工业大学 2013
[4]基于冗余并联机构的压电式六维加速度传感器研究[D]. 尤晶晶.南京航空航天大学 2013
[5]空间大型机械臂关节控制系统及轨迹规划研究[D]. 郭闯强.哈尔滨工业大学 2012
[6]无陀螺捷联惯导系统若干关键技术研究[D]. 刘志平.哈尔滨工程大学 2010

硕士论文
[1]电液三轴飞行转台控制系统软件设计[D]. 孔洁.哈尔滨工业大学 2012



本文编号：3707436