繩索牽引機(jī)器人及虛擬重力系統(tǒng)研究.pdf

1、當(dāng)前世界各國特別是美國、俄羅斯、中國等航天技術(shù)發(fā)達(dá)國家都在努力地發(fā)展載人航天技術(shù),爭取在世界高科技領(lǐng)域內(nèi)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(chǎn)生不利影響,嚴(yán)重的甚至可能威脅宇航員的生命。虛擬重力控制機(jī)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(yùn)動機(jī)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(yùn)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(chǎn)生剛性沖擊碰撞,非常適合于虛擬重力控制機(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動控制。
　　 論文在高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目:微重力下肌力訓(xùn)練與運(yùn)動機(jī)能康復(fù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究(20060217024)的資助下,針對如何通過繩索牽引機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生虛擬重力環(huán)境,實現(xiàn)微重力條件下的宇航員運(yùn)動機(jī)能訓(xùn)練技術(shù),在繩索牽引機(jī)器人可控工作空間、繩索牽引機(jī)器人控制方法、繩索牽引虛擬重力機(jī)器人虛擬重力控制特性、繩索牽引虛擬重力機(jī)器人力控制策略等方

3、面進(jìn)行詳細(xì)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(jī)器人的機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)類型進(jìn)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(jī)器人的正逆運(yùn)動學(xué)模型,進(jìn)行了繩索牽引機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)仿真研究。工作空間分析和運(yùn)動學(xué)研究為機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)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(jī)器人的動力學(xué)模型,推導(dǎo)出了繩索拉力與繩索內(nèi)張力和繩索驅(qū)動力之間的關(guān)系。提出了繩索牽引機(jī)器人的基于預(yù)緊力的位置控制和力/位控制兩種控制方法,設(shè)計了繩索牽引機(jī)器人的控制系統(tǒng),利用Lyapunov方法進(jìn)行了機(jī)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(jìn)行了繩索牽引機(jī)器人的控制方法實驗研究。
　　 在分析人體骨盆運(yùn)動規(guī)律的基礎(chǔ)上,提出了一種用于微重力環(huán)境進(jìn)行宇航員運(yùn)動機(jī)能訓(xùn)練的繩索牽引虛擬重力機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型。分別利用運(yùn)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(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)模型。在動平臺依附于人體骨盆的條件下,對機(jī)器人的動力學(xué)模型進(jìn)行簡化,推導(dǎo)出了虛擬重力機(jī)器人系統(tǒng)的力學(xué)模型,進(jìn)行了繩索牽引虛擬重力機(jī)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(chǔ)上,利用MATLAB/Simulink軟件建立了由人體骨盆模擬機(jī)構(gòu)和六個繩索驅(qū)動單元等組成的虛擬重力機(jī)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,將模糊滑模控制器應(yīng)

6、用到單繩索驅(qū)動單元的力控制系統(tǒng)中并進(jìn)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(jī)器人的準(zhǔn)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(jī)器人的實驗樣機(jī),介紹了實驗系統(tǒng)的各部分構(gòu)成及其功能。基于dSPACE平臺進(jìn)行了繩索牽引虛擬重力機(jī)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(zhǔn)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(jī)器人模型的合理性、