空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動及控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、空間機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究方向之一。由于空間環(huán)境的特殊性，如高低溫、真空、高能粒子輻射等，對機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及遙操作、地面仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等都提出了更嚴(yán)格的要求。因此，本文結(jié)合國家“863”課題“小型智能飛行機(jī)器人系統(tǒng)（FFR）——機(jī)械臂分系統(tǒng)”，重點(diǎn)研究了HIT/DLR空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
　　HIT/DLR空間機(jī)械臂的設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，即組成

2、機(jī)械臂的6個關(guān)節(jié)完全相同，提高了機(jī)械臂系統(tǒng)的互換性和可維護(hù)性，縮短了開發(fā)周期。每個關(guān)節(jié)采用機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)理念，集機(jī)構(gòu)、驅(qū)動、傳感、控制為一體，具有高度的集成化?；贔PGA的關(guān)節(jié)控制器系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)內(nèi)部所有傳感器信息的采集、電機(jī)的驅(qū)動，而且還實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)空間的位置控制，阻抗控制以及軌跡規(guī)劃等。除此之外在FPGA內(nèi)部還嵌入了CAN總線控制器，提供了與主控計(jì)算機(jī)通訊的CAN總線接口。設(shè)計(jì)的具有閂鎖保護(hù)的電源電路提高了關(guān)節(jié)電氣系統(tǒng)的可靠性。

3、為了提高關(guān)節(jié)的定位精度，設(shè)計(jì)了利用關(guān)節(jié)電位計(jì)信息和增量式電機(jī)磁碼盤信息的關(guān)節(jié)位置信息融合算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這個算法滿足空間機(jī)械臂系統(tǒng)精度的要求。
　　本文推導(dǎo)了永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，比較了永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流控制的四種控制策略，并且對SPWM、SPWM注入三次諧波以及SVPWM等調(diào)制算法進(jìn)行了深入地分析，并結(jié)合HIT/DLR空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，得出關(guān)節(jié)內(nèi)永磁同步電機(jī)適于采用0di=的磁場定向的矢量控制

4、策略及SPWM的調(diào)制方式的結(jié)論。在此基礎(chǔ)之上，利用FPGA實(shí)現(xiàn)了HIT/DLR空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)永磁同步電機(jī)的驅(qū)動設(shè)計(jì)，通過對永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)三環(huán)的調(diào)節(jié)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)），實(shí)現(xiàn)了電機(jī)位置控制精度達(dá)到±1個脈沖的結(jié)果。
　　本文還簡述了諧波減速器原理，利用設(shè)計(jì)的力矩傳感器實(shí)現(xiàn)了對諧波減速器周期性擾動的補(bǔ)償，建立了空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)的模型，利用Paul提出的四次多項(xiàng)式路徑插補(bǔ)算法，實(shí)現(xiàn)了對期望位置信息的細(xì)分，采用具有力矩反饋的

5、位置控制器，實(shí)現(xiàn)了柔性關(guān)節(jié)的在自由空間的位置控制，并且對約束空間關(guān)節(jié)的阻抗控制進(jìn)行初步研究。最后通過在氣浮平臺上進(jìn)行的機(jī)械臂運(yùn)動實(shí)驗(yàn)以及在清華大學(xué)進(jìn)行的機(jī)械臂綜合精度測試，進(jìn)一步證實(shí)了設(shè)計(jì)的具有力矩反饋的關(guān)節(jié)控制器具有較高的魯棒性和較高的控制精度。
　　最后本文闡述了針對空間特殊環(huán)境，關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)作的相應(yīng)的設(shè)計(jì)。提出了HIT/DLR空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)的故障容錯策略，建立了關(guān)節(jié)故障樹模型，改進(jìn)了關(guān)節(jié)故障檢測算法，即不僅比較期望位置與傳感