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绳索牵引机器人及虚拟重力系统研究

作　者: 刘攀
导　师: 张立勋
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 绳索牵引机器人虚拟重力控制力/位控制可控工作空间
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

当前世界各国特别是美国、俄罗斯、中国等航天技术发达国家都在努力地发展载人航天技术,争取在世界高科技领域内占有一席之地。太空环境是一种真高空的微重力环境,宇航员在太空飞行时身体处于失重状态,这将对宇航员的生理系统和工作能力产生不利影响,严重的甚至可能威胁宇航员的生命。虚拟重力控制机器人系统能够在微重力条件下模拟重力场,用于锻炼宇航员的运动机能,从而避免长期生活在失重环境中的宇航员患得航天运动病。绳索牵引系统具有柔顺性好、占空间小及重量轻等优点,不会与人体产生刚性冲击碰撞,非常适合于虚拟重力控制机器人系统的驱动控制。论文在高等学校博士学科点专项科研基金项目：微重力下肌力训练与运动机能康复机器人关键技术研究(20060217024)的资助下,针对如何通过绳索牵引机器人系统产生虚拟重力环境,实现微重力条件下的宇航员运动机能训练技术,在绳索牵引机器人可控工作空间、绳索牵引机器人控制方法、绳索牵引虚拟重力机器人虚拟重力控制特性、绳索牵引虚拟重力机器人力控制策略等方面进行详细的理论分析和实验研究。从力传递的角度分析了绳索牵引机器人的机构类型,提出了一种基于矢量封闭原理和特定力／力矩条件下的可控力螺旋工作空间,对两种完全约束机构类型进行了其可控力螺旋工作空间分析。利用矢量代数法和三棱锥法建立了绳索牵引机器人的正逆运动学模型,进行了绳索牵引机器人的运动学仿真研究。工作空间分析和运动学研究为机器人的机构设计和控制系统设计提供了一定的理论依据。利用牛顿-欧拉法建立了绳索牵引机器人的动力学模型,推导出了绳索拉力与绳索内张力和绳索驱动力之间的关系。提出了绳索牵引机器人的基于预紧力的位置控制和力/位控制两种控制方法,设计了绳索牵引机器人的控制系统,利用Lyapunov方法进行了机器人控制系统的稳定性分析。在三自由度实验平台上进行了绳索牵引机器人的控制方法实验研究。在分析人体骨盆运动规律的基础上,提出了一种用于微重力环境进行宇航员运动机能训练的绳索牵引虚拟重力机器人机构模型。分别利用运动影响系数法和牛顿-欧拉法建立了绳索牵引虚拟重力机器人的运动学模型和动力学模型。在动平台依附于人体骨盆的条件下,对机器人的动力学模型进行简化,推导出了虚拟重力机器人系统的力学模型,进行了绳索牵引虚拟重力机器人的虚拟重力控制特性仿真分析。在分析虚拟重力控制原理的基础上,利用MATLAB/Simulink软件建立了由人体骨盆模拟机构和六个绳索驱动单元等组成的虚拟重力机器人系统仿真模型。针对力信号易于波动很难控制的问题,将模糊滑模控制器应用到单绳索驱动单元的力控制系统中并进行仿真研究。采用理论分析和仿真研究方法分析了绳索牵引虚拟重力机器人的准闭环力控制策略和双闭环力控制策略的可行性。研制了绳索牵引虚拟重力机器人的实验样机,介绍了实验系统的各部分构成及其功能。基于dSPACE平台进行了绳索牵引虚拟重力机器人的虚拟重力模拟控制实验,主要包括单绳索单元力闭环控制实验、准闭环力控制策略实验和双闭环力控制策略实验。实验研究验证了绳索牵引虚拟重力机器人模型的合理性、控制系统的稳定性以及虚拟重力控制策略的可行性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-31
  1.1 课题的来源  11
  1.2 课题的研究意义  11-14
  1.3 宇航员锻炼方法概述  14-19
    1.3.1 太空锻炼方法概述  14-17
    1.3.2 地面训练方法概述  17-19
  1.4 绳索牵引机器人研究现状  19-29
    1.4.1 国外研究概况  19-26
    1.4.2 国内研究概况  26-29
  1.5 论文的主要研究内容  29-31
第2章绳索牵引机器人的工作空间与运动学分析  31-55
  2.1 绳索牵引机器人的机构类型  31-34
  2.2 绳索牵引机器人的可控工作空间  34-42
    2.2.1 可控力螺旋工作空间  34-36
    2.2.2 机器人工作空间分析  36-42
  2.3 绳索牵引机器人的运动学分析  42-54
    2.3.1 1R2T机器人运动学分析  42-46
    2.3.2 3R3T机器人运动学分析  46-54
  2.4 本章小结  54-55
第3章绳索牵引机器人的力/位控制研究  55-75
  3.1 绳索牵引机器人动力学建模  55-58
  3.2 绳索牵引机器人的控制方法  58-66
    3.2.1 机器人位置控制方法  59-61
    3.2.2 机器人力/位控制方法  61-66
  3.3 绳索牵引机器人的控制实验  66-74
    3.3.1 实验平台简介  66-67
    3.3.2 位置控制方法实验  67-69
    3.3.3 力/位控制方法实验  69-74
  3.4 本章小结  74-75
第4章绳索牵引虚拟重力机器人的虚拟重力控制特性分析  75-93
  4.1 绳索牵引虚拟重力机器人的机构模型  75-77
  4.2 绳索牵引虚拟重力机器人的数学模型  77-82
  4.3 绳索牵引机器人的虚拟重力控制特性分析  82-92
    4.3.1 人体静态站立时虚拟重力特性分析  85-87
    4.3.2 人体动态过程中虚拟重力特性分析  87-91
    4.3.3 负重背心连接点位置对虚拟重力特性影响  91-92
  4.4 本章小结  92-93
第5章绳索牵引虚拟重力机器人力控制策略研究  93-109
  5.1 虚拟重力机器人系统的仿真模型  93-96
  5.2 单绳索单元的模糊滑模控制  96-99
  5.3 机器人的准闭环力控制策略  99-104
    5.3.1 准闭环力控制原理  99-101
    5.3.2 准闭环力控制仿真分析  101-104
  5.4 机器人的双闭环力控制策略  104-108
    5.4.1 双闭环力控制原理  104-105
    5.4.2 双闭环力控制仿真分析  105-108
  5.5 本章小结  108-109
第6章绳索牵引虚拟重力机器人样机研制及实验研究  109-129
  6.1 原理样机研制  109-114
    6.1.1 实验原理  109-110
    6.1.2 实验样机  110-111
    6.1.3 控制系统  111-114
  6.2 虚拟重力控制实验  114-127
    6.2.1 单绳索力闭环控制实验  114-116
    6.2.2 准闭环力控制策略实验  116-122
    6.2.3 双闭环力控制策略实验  122-127
  6.3 本章小结  127-129
结论  129-130
参考文献  130-141
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  141-142
致谢  142

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