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

1、空間機器人是機器人領(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，對機器人機構(gòu)設(shè)計、感知系統(tǒng)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計以及遙操作、地面仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計等都提出了更嚴格的要求。因此，本文結(jié)合國家“863”課題“小型智能飛行機器人系統(tǒng)（FFR）——機械臂分系統(tǒng)”，重點研究了HIT/DLR空間機械臂關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計。
　　HIT/DLR空間機械臂的設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，即組成

2、機械臂的6個關(guān)節(jié)完全相同，提高了機械臂系統(tǒng)的互換性和可維護性，縮短了開發(fā)周期。每個關(guān)節(jié)采用機電一體化的設(shè)計理念，集機構(gòu)、驅(qū)動、傳感、控制為一體，具有高度的集成化。基于FPGA的關(guān)節(jié)控制器系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)關(guān)節(jié)內(nèi)部所有傳感器信息的采集、電機的驅(qū)動，而且還實現(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，提供了與主控計算機通訊的CAN總線接口。設(shè)計的具有閂鎖保護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)計了利用關(guān)節(jié)電位計信息和增量式電機磁碼盤信息的關(guān)節(jié)位置信息融合算法，實驗結(jié)果表明，這個算法滿足空間機械臂系統(tǒng)精度的要求。
　　本文推導了永磁同步電動機的數(shù)學模型，比較了永磁同步電機在旋轉(zhuǎn)坐標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)制算法進行了深入地分析，并結(jié)合HIT/DLR空間機械臂關(guān)節(jié)永磁同步電機的特點，得出關(guān)節(jié)內(nèi)永磁同步電機適于采用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實現(xiàn)了HIT/DLR空間機械臂關(guān)節(jié)永磁同步電機的驅(qū)動設(shè)計，通過對永磁同步電機伺服系統(tǒng)三環(huán)的調(diào)節(jié)（電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)），實現(xiàn)了電機位置控制精度達到±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)計的力矩傳感器實現(xiàn)了對諧波減速器周期性擾動的補償，建立了空間機械臂柔性關(guān)節(jié)的模型，利用Paul提出的四次多項式路徑插補算法，實現(xiàn)了對期望位置信息的細分，采用具有力矩反饋的

5、位置控制器，實現(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)的阻抗控制進行初步研究。最后通過在氣浮平臺上進行的機械臂運動實驗以及在清華大學進行的機械臂綜合精度測試，進一步證實了設(shè)計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。提出了HIT/DLR空間機械臂關(guān)節(jié)的故障容錯策略，建立了關(guān)節(jié)故障樹模型，改進了關(guān)節(jié)故障檢測算法，即不僅比較期望位置與傳感