面向核电救灾作业的机械臂虚拟分解和模态切换控制研究

发布时间：2018-02-28 19:24

  本文关键词： 核电救灾环境 机械臂 柔顺作业 虚拟分解 模态切换 参数测量　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：机器人应用于特殊环境作业时,由于高温、烟尘、辐射或强电磁干扰的存在,使得机器人控制系统中电子器件的使用条件更加苛刻,因而为复杂作业过程的控制带来挑战。以核电救灾环境下机器人作业为例,典型救灾任务包括打开主控制室大门,进入控制室关闭核反应堆;旋转阀门关闭有毒原料管道和安全壳等。开门、拧阀门这类工况都需要机械臂完成到达、抓持、旋转和释放四个步骤。要完成以上四个步骤,机械臂作业过程要同时满足控制精度、有效输出力矩、灵巧作业空间和柔顺性四个指标需求。核电救灾作业过程中,传统光栅式位置传感器、应变片式力传感器和视觉传感器由于辐射、高温等原因的影响不能直接应用到核电救灾环境中,而具有防护能力的传感器件性能偏低。因此需要通过针对性的控制算法和测量算法研究弥补器件性能降低及作业任务高需求带来的挑战。本文结合国家重点基础研究计划:“核电站紧急救灾机器人的基础科学问题研究”中的核电站救灾任务灵巧作业要求,考虑控制系统对核电救灾环境适应性,开展面向核电救灾作业的机械臂虚拟分解、模态切换和运动/力信息测量算法研究。具体研究内容包括:针对由于选用六自由度机械臂保证灵巧作业空间带来的使用传统方法建模困难的问题,本文基于虚拟分解理论将六自由度机械臂解耦成独立的连杆和关节。同时,针对由于在机械臂的关节内部集成了谐波减速器保证有效输出力矩而带来的关节柔性问题,本文将机械臂的关节柔性在传统的弹簧阻尼模型的基础上进行了解析建模,并将该解析模型进一步应用到机械臂的虚拟分解中,建立考虑关节柔性的机械臂动力学解耦模型,为实现多关节柔性臂的前馈控制提供依据。该方法与传统拉格朗日法或牛顿欧拉法相比具有各关节动力学模型解耦和计算量小的优点。针对核电救灾作业任务中到达、抓持、旋拧和释放不同阶段的控制需求,基于虚拟分解解耦模型,设计融合位置控制、柔顺控制及其模态切换控制策略的统一控制律。利用该方法解决开门、拧阀门作业过程中需要同时满足精确性和柔顺性的矛盾,保证作业过程的连续性。同时,为了验证上述控制策略在机械臂核电救灾作业过程中的有效性,基于动力学引擎Vortex搭建系统仿真平台M2SCDyn,并在该平台下进行开门和拧阀门系统仿真。仿真结果表明本文提出的控制策略可以保证到达和抓持过程精确性的同时,实现旋转和释放过程的柔顺性。考虑传感器耐辐照能力,同时结合开门、拧阀门作业过程统一控制律对反馈信息的需求,本文在关节的减速器输出端和连杆之间添加一个连杆端旋转变压器,提出利用电机端位置信息和连杆端旋转变压器信息测量关节位置和速度信息的算法。同时,本文提出不使用力传感器的关节力矩测量算法,测量算法中利用电机电流信息、电机端位置信息和连杆端旋转变压器信息拟合关节的力矩信息。基于提出的电机端和连杆端位置信息脉冲正交处理的关节位置、速度和力矩测量方法,在嵌入式控制器中实现低精度耐辐照传感器件对关节运动和力信息的实时有效反馈。针对核电救灾中作业对象特征模型一般未知,而传统的视觉传感器进入救灾现场受到中子射线的辐射会镜头发黑、失效,特殊防护的镜头精度降低,很难直接用于作业对象特征辨识的问题,本文在使用低分辨率镜头的基础上提出了基于视觉引导和机械臂末端触碰感知的作业对象特征辨识方法。首先通过低分辨率视觉对作业对象进行基本的判断,进而控制机械臂末端进行触点信息融合,来获得需要的作业对象特征参数。在搭建的系统试验平台RCAMA-1上对该方法进行了试验验证。并在该方法的基础上模拟核电救灾任务进行了基于融合位置控制、柔顺控制及其模态切换控制的统一控制律的开门、拧阀门作业试验。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM623;TP241
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本文编号：1548622