艙外航天服關(guān)節(jié)力學(xué)特性測(cè)試機(jī)器人系統(tǒng)的研究.pdf

1、航天服是載人航天必不可少的防護(hù)裝備，是航天員個(gè)人生命保障系統(tǒng)中最重要的分系統(tǒng)。隨著載人航天的深入，我國(guó)航天員將實(shí)現(xiàn)艙外行走。艙外航天服既要為航天員提供基本的生命保障，還應(yīng)具有高的活動(dòng)性能，尤其是上肢的活動(dòng)性能，是航天員能夠有效地完成各種艙外作業(yè)的保證。目前我國(guó)艙外服的設(shè)計(jì)加工工作已基本完成，為了能夠檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)自行研制的艙外航天服，迫切需要航天服性能檢測(cè)系統(tǒng)。本文結(jié)合國(guó)家“載人航天”工程項(xiàng)目“艙外航天服關(guān)節(jié)力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)”的研制，提出新的航

2、天服關(guān)節(jié)力學(xué)特性測(cè)量方法，研究和發(fā)展基于新的測(cè)量方法的理論體系，搭建測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，通過具體實(shí)踐檢驗(yàn)理論體系的正確性和可行性。
　　艙外航天服關(guān)節(jié)力學(xué)特性的測(cè)量包括航天服手臂關(guān)節(jié)力學(xué)特性測(cè)量和航天服手套關(guān)節(jié)的力學(xué)特性測(cè)量。艙外航天服手臂關(guān)節(jié)力學(xué)特性測(cè)量裝置是利用現(xiàn)有的艙內(nèi)航天服手臂關(guān)節(jié)力矩測(cè)試裝置，在保持其機(jī)械和電路部分不變，解決艙外航天服手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)算法問題，并對(duì)軟件部分進(jìn)行擴(kuò)展，使其同時(shí)具備對(duì)艙外航天服手臂的測(cè)試能力。本

3、文還提出基于機(jī)器人理論的艙外航天服手套關(guān)節(jié)力學(xué)特性測(cè)量方法，并針對(duì)這一測(cè)量方法，研制了外骨骼三指測(cè)量機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)。
　　研制的新型外骨骼手指利用平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)使手指關(guān)節(jié)在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)能夠伸長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)手套的包絡(luò)運(yùn)動(dòng)避免了干涉情況。單手指關(guān)節(jié)之間利用齒輪-連桿組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的耦合，減少了系統(tǒng)自由度，降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本，減輕了系統(tǒng)的重量。外骨骼手指的多連桿系統(tǒng)對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)研究帶來困難，利用其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，通過建立虛擬手指，很好的

4、解決了正運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。
　　外骨骼三指測(cè)量機(jī)器人集機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感、控制為一體，基于FPGA的從控制器，不僅實(shí)現(xiàn)各手指?jìng)鞲衅餍畔⒌牟杉?、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)還完成與主控制器間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速串行通訊高速通訊。作為主控制器DSP/FPGA控制卡完成手指的軌跡規(guī)劃和控制算法，機(jī)器人的這種分級(jí)控制結(jié)構(gòu)滿足實(shí)時(shí)控制和力學(xué)特性測(cè)量精度的要求。
　　本文提出了基于擾動(dòng)觀測(cè)器（DOB）和魯棒反饋控制器的雙回路控制策略。DOB作為內(nèi)環(huán)補(bǔ)償器，通過估計(jì)系統(tǒng)的

5、干擾來減小其對(duì)系統(tǒng)造成的不良影響；在外骨手指動(dòng)力學(xué)研究基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了線性化處理和不確定分析，并基于結(jié)構(gòu)奇異值理論設(shè)計(jì)了外環(huán)反饋控制器，對(duì)系統(tǒng)的不確定性仍可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能要求。這種控制策略不但可以保證系統(tǒng)的魯棒性能，而且可以克服外界的強(qiáng)干擾，對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的不確定都具有很好的魯棒性。
　　本文分別建立了艙外航天服手套和手臂的數(shù)學(xué)模型并對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法進(jìn)行了研究。針對(duì)艙外航天服手臂的特殊軟關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和多自由度的特點(diǎn)，提出基于最近鄰

6、的快速逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解法，能夠保證在任何測(cè)量位置都會(huì)得到航天服關(guān)節(jié)角度的近似解。提出的空間分塊二步搜索策略解決了基于最近鄰方法求解艙外航天服手臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，內(nèi)存占用量大和效率低的缺點(diǎn)。仿真結(jié)果表明基于最近鄰的快速逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解法在計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性上均能滿足測(cè)試系統(tǒng)的要求。
　　本文最后在實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行艙外航天服手套和手臂關(guān)節(jié)力學(xué)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，并對(duì)航天服手臂的測(cè)量提出了卡具重力補(bǔ)償和關(guān)節(jié)重力補(bǔ)償，提高了測(cè)量的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明艙外航天