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《哈尔滨工程大学》 2019年
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微重力环境物体运动特性模拟机器人控制研究

周宇  
【摘要】:由于太空中的微重力环境,使得航天员在太空中完成作业任务与在地面重力作用的环境中很不一样,太空的微重力环境会影响航天员工作能力的发挥。本文研究一种绳索牵引的机器人,模拟物体在微重力环境下的运动,研究机器人的运动特性和控制策略。分析国内外微重力模拟技术和柔索牵引并联机器人的研究现状,针对机器人的功能要求,结合人体手臂的结构和运动特性,设计机器人的构型方案。经过机器人工作空间和静力学分析确定机器人的构型,经过刚度分析确定机器人动平台和定平台的尺寸。并根据机构的特点设计总体控制方案。简化人体手臂机构的模型,通过闭环矢量法求手臂末端的位置正解和位置逆解,通过Simulink对人体手臂机构进行运动学仿真,得到肩关节和肘关节的转角变化曲线。对机器人进行运动学分析和仿真,得到动平台位姿与四根柔索长度变化之间的关系。并对人机系统进行运动学分析和仿真。对人体手臂进行动力学分析与仿真,研究物体的运动状态与手臂各个关节作用力矩之间的关系。对机器人进行动力学分析,得到动平台的加速度与柔索的拉力之间的关系。对柔索进行力优化设计,比较最小方差优化算法和最小范数优化算法两种算法得到的绳索拉力的值。然后对人机系统进行动力学仿真。建立驱动单元的模型,采用速度位置双闭环控制方法,对机器人进行位置控制策略研究和仿真。然后分前向通道力控制策略和多余力控制策略两个方面对力控制方法进行了分析和仿真。在前向通道控制策略里,比较力的单闭环和速度、力双闭环控制方式的控制效果。并分别基于力的单闭环控制方式和基于速度和力的双闭环控制方式设计多余力控制器。基于力的单闭环控制方式设计前馈控制器,基于速度和力的双闭环控制方式设计局部反馈控制器,补偿柔索末端速度带来的扰动。并用Matlab/Simulink进行仿真分析,分析不同加载频率下的多余力曲线和力的跟随曲线,比较两种多余力控制策略的控制效果。对机器人系统的力控制策略进行仿真分析。并分析非线性因素和驱动单元参数对系统的影响。实验验证单柔索驱动单元主动加载的控制策略,比较两种控制策略的跟随性强弱。对两根柔索驱动单元被动加载的控制策略进行实验验证,验证控制策略的可行性。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TP242

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