本文關(guān)鍵詞： 核電救災(zāi)環(huán)境 機(jī)械臂 柔順作業(yè) 虛擬分解 模態(tài)切換 參數(shù)測(cè)量　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：機(jī)器人應(yīng)用于特殊環(huán)境作業(yè)時(shí),由于高溫、煙塵、輻射或強(qiáng)電磁干擾的存在,使得機(jī)器人控制系統(tǒng)中電子器件的使用條件更加苛刻,因而為復(fù)雜作業(yè)過(guò)程的控制帶來(lái)挑戰(zhàn)。以核電救災(zāi)環(huán)境下機(jī)器人作業(yè)為例,典型救災(zāi)任務(wù)包括打開主控制室大門,進(jìn)入控制室關(guān)閉核反應(yīng)堆;旋轉(zhuǎn)閥門關(guān)閉有毒原料管道和安全殼等。開門、擰閥門這類工況都需要機(jī)械臂完成到達(dá)、抓持、旋轉(zhuǎn)和釋放四個(gè)步驟。要完成以上四個(gè)步驟,機(jī)械臂作業(yè)過(guò)程要同時(shí)滿足控制精度、有效輸出力矩、靈巧作業(yè)空間和柔順性四個(gè)指標(biāo)需求。核電救災(zāi)作業(yè)過(guò)程中,傳統(tǒng)光柵式位置傳感器、應(yīng)變片式力傳感器和視覺傳感器由于輻射、高溫等原因的影響不能直接應(yīng)用到核電救災(zāi)環(huán)境中,而具有防護(hù)能力的傳感器件性能偏低。因此需要通過(guò)針對(duì)性的控制算法和測(cè)量算法研究彌補(bǔ)器件性能降低及作業(yè)任務(wù)高需求帶來(lái)的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃:“核電站緊急救災(zāi)機(jī)器人的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究”中的核電站救災(zāi)任務(wù)靈巧作業(yè)要求,考慮控制系統(tǒng)對(duì)核電救災(zāi)環(huán)境適應(yīng)性,開展面向核電救災(zāi)作業(yè)的機(jī)械臂虛擬分解、模態(tài)切換和運(yùn)動(dòng)/力信息測(cè)量算法研究。具體研究?jī)?nèi)容包括:針對(duì)由于選用六自由度機(jī)械臂保證靈巧作業(yè)空間帶來(lái)的使用傳統(tǒng)方法建模困難的問(wèn)題,本文基于虛擬分解理論將六自由度機(jī)械臂解耦成獨(dú)立的連桿和關(guān)節(jié)。同時(shí),針對(duì)由于在機(jī)械臂的關(guān)節(jié)內(nèi)部集成了諧波減速器保證有效輸出力矩而帶來(lái)的關(guān)節(jié)柔性問(wèn)題,本文將機(jī)械臂的關(guān)節(jié)柔性在傳統(tǒng)的彈簧阻尼模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了解析建模,并將該解析模型進(jìn)一步應(yīng)用到機(jī)械臂的虛擬分解中,建立考慮關(guān)節(jié)柔性的機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)解耦模型,為實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)柔性臂的前饋控制提供依據(jù)。該方法與傳統(tǒng)拉格朗日法或牛頓歐拉法相比具有各關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型解耦和計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)核電救災(zāi)作業(yè)任務(wù)中到達(dá)、抓持、旋擰和釋放不同階段的控制需求,基于虛擬分解解耦模型,設(shè)計(jì)融合位置控制、柔順控制及其模態(tài)切換控制策略的統(tǒng)一控制律。利用該方法解決開門、擰閥門作業(yè)過(guò)程中需要同時(shí)滿足精確性和柔順性的矛盾,保證作業(yè)過(guò)程的連續(xù)性。同時(shí),為了驗(yàn)證上述控制策略在機(jī)械臂核電救災(zāi)作業(yè)過(guò)程中的有效性,基于動(dòng)力學(xué)引擎Vortex搭建系統(tǒng)仿真平臺(tái)M2SCDyn,并在該平臺(tái)下進(jìn)行開門和擰閥門系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明本文提出的控制策略可以保證到達(dá)和抓持過(guò)程精確性的同時(shí),實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和釋放過(guò)程的柔順性�？紤]傳感器耐輻照能力,同時(shí)結(jié)合開門、擰閥門作業(yè)過(guò)程統(tǒng)一控制律對(duì)反饋信息的需求,本文在關(guān)節(jié)的減速器輸出端和連桿之間添加一個(gè)連桿端旋轉(zhuǎn)變壓器,提出利用電機(jī)端位置信息和連桿端旋轉(zhuǎn)變壓器信息測(cè)量關(guān)節(jié)位置和速度信息的算法。同時(shí),本文提出不使用力傳感器的關(guān)節(jié)力矩測(cè)量算法,測(cè)量算法中利用電機(jī)電流信息、電機(jī)端位置信息和連桿端旋轉(zhuǎn)變壓器信息擬合關(guān)節(jié)的力矩信息。基于提出的電機(jī)端和連桿端位置信息脈沖正交處理的關(guān)節(jié)位置、速度和力矩測(cè)量方法,在嵌入式控制器中實(shí)現(xiàn)低精度耐輻照傳感器件對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和力信息的實(shí)時(shí)有效反饋。針對(duì)核電救災(zāi)中作業(yè)對(duì)象特征模型一般未知,而傳統(tǒng)的視覺傳感器進(jìn)入救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)受到中子射線的輻射會(huì)鏡頭發(fā)黑、失效,特殊防護(hù)的鏡頭精度降低,很難直接用于作業(yè)對(duì)象特征辨識(shí)的問(wèn)題,本文在使用低分辨率鏡頭的基礎(chǔ)上提出了基于視覺引導(dǎo)和機(jī)械臂末端觸碰感知的作業(yè)對(duì)象特征辨識(shí)方法。首先通過(guò)低分辨率視覺對(duì)作業(yè)對(duì)象進(jìn)行基本的判斷,進(jìn)而控制機(jī)械臂末端進(jìn)行觸點(diǎn)信息融合,來(lái)獲得需要的作業(yè)對(duì)象特征參數(shù)。在搭建的系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)RCAMA-1上對(duì)該方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。并在該方法的基礎(chǔ)上模擬核電救災(zāi)任務(wù)進(jìn)行了基于融合位置控制、柔順控制及其模態(tài)切換控制的統(tǒng)一控制律的開門、擰閥門作業(yè)試驗(yàn)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM623;TP241
，

本文編號(hào)：1548622