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大型空间机械臂关节性能测试平台研制及参数辨识研究

作　者: 张飞
导　师: 金明河
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 关节性能测试动力学模型标定参数辨识
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着我国空间站建设步伐的加快，大型空间机械臂的研制变得更加迫切。关节是大型空间机械臂的关键组件，将工作在大温差、高真空、强辐射的环境下，其性能好坏将直接影响到整个在轨任务的完成。为此，本文结合实验室自主课题“空间大型机械臂的研制”开展了大型空间机械臂关节性能测试平台的研制工作，并基于该平台开展了关节动力学参数辨识的研究。大型空间机械臂关节的定位精度和负载能力是关节最主要的两个性能指标，因此使用相应的测试设备检测其性能指标是否满足设计指标要求就显得尤为重要。针对这种需求，本文研制了HIT大型空间机械臂关节性能测试平台，该测试平台集成了力矩传感器、位置传感器、齿轮增速器和用于加载的磁粉制动器等部件，从而达到对关节性能进行测试的目的。由于关节内部使用了谐波减速器作为核心传动部件，而谐波减速器的摩擦和刚度非线性将直接造成关节刚度和摩擦的非线性特性，为此本文基于考虑非线性因素的谐波减速器动力学模型建立了HIT大型空间机械臂关节的动力学模型。关节内部传感器的精度将直接影响关节动力学参数辨识准确性，高精度的传感器能大大提高参数辨识的效率，为此本文标定了关节内部传感器，包括力矩传感器、磁编码器、旋转变压器和电流传感器，并且针对旋转变压器精度较低问题提出了基于BP神经网络的误差补偿方法，并完成多次补偿实验。实验结果表明该方法能有效提高旋转变压器的测角精度。准确的动力学参数能有效改善关节的控制精度，因此本文开展了基于电流和位置双闭环关节控制模式下的HIT大型空间机械臂关节动力学参数辨识研究。采用粘滞+库伦摩擦模型、三次多项式摩擦模型和Stribeck摩擦模型进行关节摩擦辨识研究，结果表明Stribeck摩擦模型更能反映实际的关节阻尼。刚度辨识研究结果表明由于力矩传感器和一些关节连接件的变形造成关节的刚度略小于谐波减速器刚度。采用最小二乘法进行基于关节动力学模型的离线参数辨识，结果表明考虑库伦+粘滞摩擦时辨识得到的刚度更加接近实际关节刚度值。在离线辨识的基础上采用改进的递推最小二乘法并考虑基于误差的遗忘因子模型进行在线参数辨识，实验结果表明各个参数能够收敛到相对稳定值，该稳定值与离线参数辨识结果接近。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外空间机械臂关节和关节测试系统研究现状  11-15
    1.2.1 空间机械臂关节研究现状及分析  11-13
    1.2.2 空间机械臂关节测试系统研究现状及分析  13-15
  1.3 关节动力学建模研究现状  15-17
    1.3.1 关节动力学建模方法  16
    1.3.2 关节动力学建模研究现状  16-17
  1.4 参数辨识研究现状  17-18
  1.5 课题来源与研究内容  18-19
第2章大型空间机械臂关节测试系统设计  19-27
  2.1 引言  19
  2.2 关节性能测试平台设计  19-24
    2.2.1 关节性能测试平台指标及方案设计  19-21
    2.2.2 关节性能测试平台关键件选型  21-24
  2.3 关节性能测试实验  24-26
    2.3.1 定位精度测试  24-25
    2.3.2 负载能力测试  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章关节动力学建模  27-39
  3.1 引言  27
  3.2 HIT 大型空间机械臂关节  27-29
    3.2.1 高集成度模块化关节  27-28
    3.2.2 机械臂关节的柔性  28-29
  3.3 谐波动力学模型和关节动力学模型  29-34
    3.3.1 谐波动力学模型  29-32
    3.3.2 关节动力学建模  32-34
  3.4 HIT 大型空间机械臂关节动力学模型  34-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章关节内部传感器标定  39-50
  4.1 引言  39
  4.2 旋转变压器标定及误差补偿  39-43
    4.2.1 旋转变压器标定平台设计  39-41
    4.2.2 旋转变压器标定及误差补偿  41-43
  4.3 关节力矩传感器标定  43-45
    4.3.1 关节力矩传感器标定平台设计  44
    4.3.2 关节力矩传感器标定  44-45
  4.4 关节编码器标定  45-48
    4.4.1 平行光管和 23 棱镜选型  46-47
    4.4.2 编码器标定  47-48
  4.5 电流传感器标定  48-49
  4.6 本章小结  49-50
第5章大型空间机械臂关节参数辨识研究  50-68
  5.1 参数辨识  50-51
    5.1.1 辨识方法  50
    5.1.2 关节参数辨识意义  50-51
  5.2 关节摩擦和刚度参数辨识  51-58
    5.2.1 摩擦模型辨识  51-54
    5.2.2 刚度辨识  54-58
  5.3 整体离线参数辨识  58-62
    5.3.1 最小二乘参数估算法（LS）  58-59
    5.3.2 离线参数辨识关节动力学模型  59-60
    5.3.3 离线参数辨识实验  60-62
  5.4 基于关节动力学模型的在线参数辨识  62-67
    5.4.1 改进的递推最小二乘法（MRLS）  62-63
    5.4.2 遗忘因子确定  63-65
    5.4.3 在线参数辨识模型  65
    5.4.4 在线参数辨识实验  65-67
  5.5 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-72
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  72-74
致谢  74

大型空间机械臂关节性能测试平台研制及参数辨识研究

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