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轻型机械臂的结构设计及控制研究

作　者: 王罗罗
导　师: 高晓辉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 轻型臂模块化关节力矩传感器位置控制阻抗控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

轻型机械臂由于具有高负重/自重比、低功耗等特性,被广泛应用在各种移动平台上,在空间、战场和家庭服务等领域占据着重要的地位。从目前的发展趋势来看,高可靠度的结构设计和未知环境下的控制问题始终是当前轻型臂技术研究的热点。本文结合国防科工委“十一五”计划基础研究项目“×××手臂的研究”,设计了一套四自由度的轻型机械臂样机,并以之为平台,研究了基于关节力矩传感器的轻型臂柔顺控制问题。本文从课题的设计指标出发,结合当今先进轻型臂的结构特点,对轻型臂的构型和基本杆件参数进行了优化,并提出了轻型臂的结构设计方案,包括:基于模块化关节的整体结构方案,高减速比、大力矩输出的传动机构方案,输入输出相互垂直的关节结构方案,轻型臂内部走线的电气连结方案,机电集成和智能化的传感系统方案。在此基础上,本文对关节的驱动器、制动器、传动机构进行了合理选型,对轻型臂的结构件进行了详细设计。在设计过程中,本文采用关节大中心孔结构来实现关节的内部走线;通过基于弹簧插针的电气接口来实现系统的电气连接。具有丰富的传感器是当今轻型臂技术的一个重要特点。本文轻型臂的模块化关节,不但集成有冗余的位置传感器,而且集成了新型的关节力矩传感器。该关节力矩传感器基于应变式原理,采用十字分布的弹性梁结构和冗余的双路输出电桥,具备关节转矩和弯矩过载保护能力。它赋予了轻型臂一定的力觉感知能力,为轻型臂的柔顺控制打下了基础。轻型臂多工作于未知且复杂的环境下,单纯的位置控制无法从根本上解决约束环境下轻型臂的安全问题。因此,本文在分析了轻型臂运动学和动力学的基础上,研究了轻型臂在关节空间和笛卡尔空间的位置控制和阻抗控制策略,并通过实验验证了控制算法。实验证明,笛卡尔空间的阻抗控制对于未知环境下轻型臂的安全问题是一种较好的解决方案。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-21
  1.1 引言  10-11
  1.2 轻型臂的研究现状综述  11-15
    1.2.1 国外轻型臂研究现状  11-14
    1.2.2 国内轻型臂研究现状  14-15
  1.3 轻型臂的结构设计方法分析  15
  1.4 轻型臂的控制方法综述  15-18
    1.4.1 柔顺性控制综述  16-17
    1.4.2 力/位置混合控制综述  17-18
    1.4.3 阻抗控制综述  18
  1.5 关节力矩传感器的研究现状  18-20
  1.6 本研究课题的意义和主要研究内容  20-21
    1.6.1 选题意义  20
    1.6.2 主要研究内容  20-21
第2章轻型机械臂的结构设计  21-47
  2.1 引言  21
  2.2 轻型臂的设计指标  21
  2.3 轻型臂的构型选择  21-23
  2.4 轻型臂的基本杆件参数的确定  23-26
    2.4.1 臂杆长度的确定  23-25
    2.4.2 关节的转动范围和运动空间的确定  25-26
  2.5 轻型臂的结构设计方案  26-29
    2.5.1 整体设计方案  26-27
    2.5.2 传动机构方案  27
    2.5.3 关节结构方案  27-29
    2.5.4 电气走线方案  29
    2.5.5 传感系统方案  29
  2.6 模块化关节的结构设计  29-39
    2.6.1 关节负载估算  29-30
    2.6.2 关节驱动器的选型  30-31
    2.6.3 关节传动机构的选型  31-32
    2.6.4 制动器的选型  32
    2.6.5 关节结构件的设计  32-34
    2.6.6 关节力矩传感器的设计  34-39
  2.7 轻型臂臂杆及连接件的设计  39-41
  2.8 轻型臂系统的电气连接  41-44
    2.8.1 关节大中心孔走线  41-42
    2.8.2 基于弹簧插针的系统电气连接  42-44
  2.9 技术指标验证  44-46
    2.9.1 尺寸指标验证  44
    2.9.2 重复定位精度验证  44-45
    2.9.3 重量指标验证  45-46
  2.10 本章小结  46-47
第3章轻型机械臂的运动学与动力学研究  47-57
  3.1 引言  47
  3.2 运动学分析  47
  3.3 静力学分析  47-48
  3.4 动力学分析  48-56
    3.4.1 驱动器动力学分析  48-49
    3.4.2 杆件动力学分析  49-56
  3.5 本章小结  56-57
第4章轻型机械臂的控制方法研究  57-67
  4.1 引言  57
  4.2 轻型臂传感系统简述  57-58
  4.3 非线性项的补偿  58-60
    4.3.1 重力补偿  58
    4.3.2 摩擦补偿  58-60
    4.3.3 力矩传感器的输出补偿  60
  4.4 轻型臂位置控制  60-64
    4.4.1 轨迹规划  60-61
    4.4.2 关节空间位置控制  61-62
    4.4.3 笛卡尔空间位置跟踪  62-64
  4.5 阻抗控制方法研究  64-66
    4.5.1 关节空间基于位置的阻抗控制  64-65
    4.5.2 笛卡尔空间基于位置的阻抗控制  65-66
  4.6 本章小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-72
攻读学位期间发表的学术论文  72-74
致谢  74

轻型机械臂的结构设计及控制研究

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