多模式柔索驅(qū)動航天員訓(xùn)練機(jī)器人控制研究.pdf

1、“地球是人類的搖籃，但是人類絕不會永遠(yuǎn)只躺在搖籃里?！陛d人航天對于拓展人類活動空間、促進(jìn)國家綜合實(shí)力的發(fā)展具有重要作用，因此得到了各主要國家的重視。此外，航天事業(yè)對于發(fā)展人類文明、促進(jìn)社會進(jìn)步、增強(qiáng)民族凝聚力以及科技文化等國家軟實(shí)力的積累也具有重要意義。然而載人航天會受太空環(huán)境因素、飛行器因素、高速運(yùn)動產(chǎn)生的附加因素、外星球復(fù)雜環(huán)境因素等不利因素的影響。在這些不利因素中，失重長時間、持續(xù)的作用在航天員身體上，影響航天員的健康和工作，嚴(yán)重

2、時可能威脅到航天員的生命。多模式航天員訓(xùn)練機(jī)器人通過并聯(lián)柔索機(jī)器人模擬重力環(huán)境的負(fù)載特性，把載荷施加到人體上，輔助航天員在失重環(huán)境下開展跑步、臥推和負(fù)重深蹲等多模式體育訓(xùn)練，幫助航天員減輕空間適應(yīng)綜合征的不利影響，這對于載人航天事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。
　　本論文在國家自然科學(xué)基金項目：面向微重力環(huán)境的宇航員康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)研究（61175128）的資助下，針對現(xiàn)有的航天員運(yùn)動訓(xùn)練設(shè)備功能單一，訓(xùn)練效果不夠理想的問題，探索通過

3、并聯(lián)柔索機(jī)器人輔助航天員在失重環(huán)境下開展多模式體育訓(xùn)練，為了能夠?qū)崿F(xiàn)有效加載，在機(jī)器人構(gòu)型、柔索驅(qū)動單元數(shù)學(xué)模型、柔索驅(qū)動單元控制策略、人機(jī)系統(tǒng)控制策略等方面進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和實(shí)驗研究。
　　首先，分析載人航天的發(fā)展方向及發(fā)展障礙，概述空間適應(yīng)綜合征防護(hù)措施，通過分析空間適應(yīng)綜合征起因，確定機(jī)器人的訓(xùn)練模式及訓(xùn)練機(jī)理，提出機(jī)器人的設(shè)計要求；根據(jù)機(jī)器人設(shè)計要求，提出模塊化、可重構(gòu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案和柔索驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)方案，經(jīng)過構(gòu)型優(yōu)

4、化，確定機(jī)器人的可控工作空間及安全工作空間；根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用要求確定機(jī)器人總體控制方案。
　　其次，以模塊化的柔索驅(qū)動單元為研究對象，建立在考慮承載對象運(yùn)動影響的情況下的完整的柔索驅(qū)動被動式力伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；結(jié)合數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)中的不確定因素以及各因素對系統(tǒng)性能的影響，為系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)；通過實(shí)驗方法辨識柔索模型、前向通道模型和多余力模型，驗證系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性。
　　第三，針對航天員訓(xùn)練機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)

5、計設(shè)計過程中的主要控制問題，以柔索驅(qū)動單元標(biāo)稱模型為研究對象，在對柔索驅(qū)動被動式力伺服系統(tǒng)前向通道動態(tài)特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計柔索驅(qū)動單元主動加載復(fù)合控制策略，通過仿真和實(shí)驗來檢驗復(fù)合校正后系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)品質(zhì)，檢驗系統(tǒng)能否滿足“雙十”指標(biāo)；在對多余力的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行深入的理論分析和實(shí)驗研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計柔索驅(qū)動單元被動加載控制策略，通過仿真和實(shí)驗來檢驗柔索驅(qū)動單元被動加載復(fù)合控制策略多余力抑制效果，檢驗系統(tǒng)的品質(zhì)魯棒性。<

6、br>　　第四，以多模式航天員訓(xùn)練人機(jī)系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計多模式航天員訓(xùn)練機(jī)器人雙閉環(huán)控制策略，通過內(nèi)環(huán)柔索驅(qū)動單元被動加載復(fù)合力控制器提高各柔索驅(qū)動單元的加載精度，通過外環(huán)機(jī)器人負(fù)載力控制器，提高機(jī)器人整體的加載精度，消除橫向力影響；分別針對跑步訓(xùn)練和臥推、深蹲訓(xùn)練建立柔索牽引力規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，確定各柔索張力與柔索長度及期望負(fù)載力的數(shù)學(xué)關(guān)系；基于拉格朗日法建立失重環(huán)境下人體跑步、臥推及負(fù)重深蹲的動力學(xué)模型；利用MATLAB工具箱建立人機(jī)

7、系統(tǒng)仿真模型，通過仿真來驗證機(jī)器人柔索牽引力規(guī)劃模型的準(zhǔn)確性和機(jī)器人雙閉環(huán)力控制策略的有效性。
　　最后，在dSPACE半物理仿真平臺的基礎(chǔ)上，以模塊化的柔索驅(qū)動單元樣機(jī)為基礎(chǔ)，將柔索驅(qū)動單元組合成不同構(gòu)型的實(shí)驗樣機(jī)，開展單柔索驅(qū)動單元性能實(shí)驗、平面二柔索驅(qū)動單元性能實(shí)驗、空間三柔索驅(qū)動單元性能實(shí)驗以及人機(jī)實(shí)驗研究。通過實(shí)驗來驗證本文研制的多模式航天員訓(xùn)練機(jī)器人構(gòu)型的合理性、柔索牽引力規(guī)劃模型的準(zhǔn)確性，控制策略的有效性，證明機(jī)器人