繩索牽引機器人及虛擬重力系統(tǒng)研究.pdf

1、當前世界各國特別是美國、俄羅斯、中國等航天技術發(fā)達國家都在努力地發(fā)展載人航天技術,爭取在世界高科技領域內占有一席之地。太空環(huán)境是一種真高空的微重力環(huán)境,宇航員在太空飛行時身體處于失重狀態(tài),這將對宇航員的生理系統(tǒng)和工作能力產生不利影響,嚴重的甚至可能威脅宇航員的生命。虛擬重力控制機器人系統(tǒng)能夠在微重力條件下模擬重力場,用于鍛煉宇航員的運動機能,從而避免長期生活在失重環(huán)境中的宇航員患得航天運動病。繩索牽引系統(tǒng)具有柔順性好、占空間小及重量輕等

2、優(yōu)點,不會與人體產生剛性沖擊碰撞,非常適合于虛擬重力控制機器人系統(tǒng)的驅動控制。
　　 論文在高等學校博士學科點專項科研基金項目:微重力下肌力訓練與運動機能康復機器人關鍵技術研究(20060217024)的資助下,針對如何通過繩索牽引機器人系統(tǒng)產生虛擬重力環(huán)境,實現(xiàn)微重力條件下的宇航員運動機能訓練技術,在繩索牽引機器人可控工作空間、繩索牽引機器人控制方法、繩索牽引虛擬重力機器人虛擬重力控制特性、繩索牽引虛擬重力機器人力控制策略等方

3、面進行詳細的理論分析和實驗研究。
　　 從力傳遞的角度分析了繩索牽引機器人的機構類型,提出了一種基于矢量封閉原理和特定力/力矩條件下的可控力螺旋工作空間,對兩種完全約束機構類型進行了其可控力螺旋工作空間分析。利用矢量代數(shù)法和三棱錐法建立了繩索牽引機器人的正逆運動學模型,進行了繩索牽引機器人的運動學仿真研究。工作空間分析和運動學研究為機器人的機構設計和控制系統(tǒng)設計提供了一定的理論依據(jù)。
　　 利用牛頓-歐拉法建立了繩索牽引

4、機器人的動力學模型,推導出了繩索拉力與繩索內張力和繩索驅動力之間的關系。提出了繩索牽引機器人的基于預緊力的位置控制和力/位控制兩種控制方法,設計了繩索牽引機器人的控制系統(tǒng),利用Lyapunov方法進行了機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。在三自由度實驗平臺上進行了繩索牽引機器人的控制方法實驗研究。
　　 在分析人體骨盆運動規(guī)律的基礎上,提出了一種用于微重力環(huán)境進行宇航員運動機能訓練的繩索牽引虛擬重力機器人機構模型。分別利用運動影響系數(shù)法

5、和牛頓.歐拉法建立了繩索牽引虛擬重力機器人的運動學模型和動力學模型。在動平臺依附于人體骨盆的條件下,對機器人的動力學模型進行簡化,推導出了虛擬重力機器人系統(tǒng)的力學模型,進行了繩索牽引虛擬重力機器人的虛擬重力控制特性仿真分析。
　　 在分析虛擬重力控制原理的基礎上,利用MATLAB/Simulink軟件建立了由人體骨盆模擬機構和六個繩索驅動單元等組成的虛擬重力機器人系統(tǒng)仿真模型。針對力信號易于波動很難控制的問題,將模糊滑?？刂破鲬?/p>

6、用到單繩索驅動單元的力控制系統(tǒng)中并進行仿真研究。采用理論分析和仿真研究方法分析了繩索牽引虛擬重力機器人的準閉環(huán)力控制策略和雙閉環(huán)力控制策略的可行性。
　　 研制了繩索牽引虛擬重力機器人的實驗樣機,介紹了實驗系統(tǒng)的各部分構成及其功能?；赿SPACE平臺進行了繩索牽引虛擬重力機器人的虛擬重力模擬控制實驗,主要包括單繩索單元力閉環(huán)控制實驗、準閉環(huán)力控制策略實驗和雙閉環(huán)力控制策略實驗。實驗研究驗證了繩索牽引虛擬重力機器人模型的合理性、