含齿轮传动机械臂系统间隙识别与控制研究

发布时间：2020-05-13 08:17

【摘要】：机械臂系统在航天技术领域具有重要作用,尤其是在空间站的搭建以及深空探测等领域。一般的机械臂都会使用齿轮进行传动,但齿轮间隙的出现将影响机械臂的控制精度,降低系统的性能,所以研究齿轮间隙的识别算法及其机械臂系统控制策略具有重大价值,其重要的研究价值和工程实用性一直受到国内外的密切关注。本文以齿轮传动的间隙识别和机械臂的控制器设计为目的,从齿轮啮合与碰撞,机械臂动力学、控制器设计与仿真、试验验证等方面进行研究,研究工作主要从以下几个方面展开:首先,依据齿轮啮合传动的原理,推导得到含间隙时,齿轮的数学模型;然后基于Hertz及改进的碰撞理论,建立了齿轮间隙碰撞模型,其中,齿轮传动的数学模型对齿轮啮合进行了完全描述,基于间隙建立了齿轮相对转动的转动量函数,然后得到齿轮挤压产生的嵌入量与转动量函数的关系式,基于碰撞模型得到含齿轮间隙的啮合传动动力学模型,此模型是间隙识别算法的基础。然后通过单关节机械臂仿真与试验,在齿轮数学模型与含间隙的模型基础上,提出齿轮传动的间隙识别算法即小激励波形间隙识别算法以及时间相关的相位识别算法,然后通过设计仿真工况对算法进行实现,并进行单关节机械臂试验,以验证间隙识别算法的准确性。接下来对一般空间机械臂进行建模。利用DH参数矩阵对机械臂的构型进行描述,并推导连杆的位置、速度方程;然后基于拉格朗日方程建立系统的动力学方程,然后推导得到含齿轮传动机械臂动力学方程,并以递推的思想给出了机械臂方程的正动力学解法和逆动力学解法。然后基于方程设计了机械臂的控制器,设计控制器具有一定的鲁棒性,并通过Matlab与Simulink的求解器,完成控制器的仿真,验证了机械臂控制器设计的可靠性。最后,基于上述的理论基础,利用MBsim仿真软件与Simulink进行联合仿真,控制器分别设计为计算力矩控制、力矩前馈控制以及PI鲁棒控制;并开展机械臂控制的试验,基于Labview设计控制器,利用NI设备完成含齿轮的三关节机械臂的控制,仿真和试验的结果表明控制器设计合理,能够较好的对含间隙机械臂进行控制。
【图文】：

示意图,直齿轮,示意图,齿轮模数

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文根据定义可知，直齿轮最主要的相关参数是齿轮模数 m、齿，而模数决定齿轮是否能相互啮合。由国家标准规定：标准角统一定义为 20°，齿轮模数m规定为标准值，ah 和 c 分系数以及顶隙系数，对于标准齿轮系数值一定。研究的双齿轮啮合系统参数选择为：模数 m 8，齿轮齿数 z00 20，齿轮的实际厚度 s 20mm。如图 2-1 所示：

齿轮啮合,数学模型,法向间隙

0001 00 0 0 00 100 0 0100( ) tan( )cos( ) cos( )cos( )2 cos( ) ( (cos ( cos( ))) ( ))cos( )2 ( (cos ( cos( ))) ( ))cos(cos ( cos( )))c c c cn cncinvAA AC CAC A inv invAAC A inv invAAA (2-39)其中，在给定齿轮相关的基本参数下，需要辨识的参数为齿轮的间隙 A，与其他的相关参数双齿轮啮合实际间距 A、实际压力角、法向间隙nC 和周向间隙cC 一一对应。后续将通过机械臂控制方法中，对主、从动轮的输入与输出进行识别，，研究一定的识别算法得出周向间隙cC ，并以此类推得到间隙 A。此数学模型可为含齿轮间隙机械臂提供重要的控制方案。如图 2-7 所示为齿轮的间隙与实际压力角、法向间隙和周向间隙变化关系。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V441;TP241

【参考文献】