艙外航天服關節(jié)力學特性測試機器人系統(tǒng)的研究.pdf

1、航天服是載人航天必不可少的防護裝備，是航天員個人生命保障系統(tǒng)中最重要的分系統(tǒng)。隨著載人航天的深入，我國航天員將實現(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，還應具有高的活動性能，尤其是上肢的活動性能，是航天員能夠有效地完成各種艙外作業(yè)的保證。目前我國艙外服的設計加工工作已基本完成，為了能夠檢驗和評價自行研制的艙外航天服，迫切需要航天服性能檢測系統(tǒng)。本文結合國家“載人航天”工程項目“艙外航天服關節(jié)力學測試系統(tǒng)”的研制，提出新的航

2、天服關節(jié)力學特性測量方法，研究和發(fā)展基于新的測量方法的理論體系，搭建測試系統(tǒng)平臺，通過具體實踐檢驗理論體系的正確性和可行性。
　　艙外航天服關節(jié)力學特性的測量包括航天服手臂關節(jié)力學特性測量和航天服手套關節(jié)的力學特性測量。艙外航天服手臂關節(jié)力學特性測量裝置是利用現(xiàn)有的艙內航天服手臂關節(jié)力矩測試裝置，在保持其機械和電路部分不變，解決艙外航天服手臂的運動學和靜力學算法問題，并對軟件部分進行擴展，使其同時具備對艙外航天服手臂的測試能力。本

3、文還提出基于機器人理論的艙外航天服手套關節(jié)力學特性測量方法，并針對這一測量方法，研制了外骨骼三指測量機器人測試系統(tǒng)。
　　研制的新型外骨骼手指利用平行四邊形連桿機構使手指關節(jié)在旋轉的同時能夠伸長，可實現(xiàn)對手套的包絡運動避免了干涉情況。單手指關節(jié)之間利用齒輪-連桿組合機構實現(xiàn)運動的耦合，減少了系統(tǒng)自由度，降低了設計的復雜性和成本，減輕了系統(tǒng)的重量。外骨骼手指的多連桿系統(tǒng)對其運動學研究帶來困難，利用其運動特點，通過建立虛擬手指，很好的

4、解決了正運動學問題。
　　外骨骼三指測量機器人集機構、驅動、傳感、控制為一體，基于FPGA的從控制器，不僅實現(xiàn)各手指傳感器信息的采集、電機的驅動還完成與主控制器間的點對點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，機器人的這種分級控制結構滿足實時控制和力學特性測量精度的要求。
　　本文提出了基于擾動觀測器（DOB）和魯棒反饋控制器的雙回路控制策略。DOB作為內環(huán)補償器，通過估計系統(tǒng)的

5、干擾來減小其對系統(tǒng)造成的不良影響；在外骨手指動力學研究基礎上，對系統(tǒng)模型進行了線性化處理和不確定分析，并基于結構奇異值理論設計了外環(huán)反饋控制器，對系統(tǒng)的不確定性仍可實現(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干擾，對于系統(tǒng)動力學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)學模型并對逆運動學算法進行了研究。針對艙外航天服手臂的特殊軟關節(jié)結構和多自由度的特點，提出基于最近鄰

6、的快速逆運動學解法，能夠保證在任何測量位置都會得到航天服關節(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動學，內存占用量大和效率低的缺點。仿真結果表明基于最近鄰的快速逆運動學解法在計算精度和實時性上均能滿足測試系統(tǒng)的要求。
　　本文最后在實際的測試系統(tǒng)平臺上進行艙外航天服手套和手臂關節(jié)力學特性測試實驗，并對航天服手臂的測量提出了卡具重力補償和關節(jié)重力補償，提高了測量的精度。實驗結果證明艙外航天