大型机械臂动力学模型的辨识与多维传感信息处理研究

发布时间：2020-11-11 17:10

　　 随着国家现代化进程的推进,大型机械臂被应用在各个领域,本文以利用参数辨识方法建立机械臂的动力学模型为任务,主要完成了大型机械臂的动力学建模,动力学参数辨识以及末端六维力/力矩传感器降噪三项工作。首先,完成了大型机械臂的动力学建模。采取线性扭簧描述关节柔性,Stribeck模型描述摩擦,假设模态法描述杆件柔性,借助修改的DH参数法和浮动坐标系法完成机械臂运动学分析,然后利用Kane方法建立空载时大型机械臂的动力学模型,并借助末端六维力/力矩传感器将建立的模型应用到带有末端负载的情况。介绍了机械臂的正逆动力学问题,由于机械臂的动力学模型为刚性微分方程,本文利用5阶Gear法对其进行积分求解。在MATLAB中编程并完成了所建模型的数值仿真,应用SolidWorks,ANSYS和Adams软件建立了七自由度大型机械臂仿真模型,将其与所建立的动力学模型对比,完成了模型的验证。其次,采取系统辨识的方式得到动力学模型参数。利用Lagrange法说明了柔性臂动力学模型是关于其动力学参数的线性函数,然后基于Kane方法推导了其线性模型,并对其最小惯性参数集进行了探讨。辨识轨迹选取所有关节同时高速或低速运动的两条轨迹。对于带有关节力矩传感器的机械臂,采取关节和杆件参数分开辨识的方式。每个关节的参数独立辨识,均利用MATLAB中拟合工具箱对建立的关节动力学模型拟合。杆件参数辨识有两种方案:1)低速时辨识刚性参数,高速时辨识柔性参数;2)高速时同时辨识出刚性和柔性参数。为了减少一次辨识的参数,采用从末端杆向基座逐杆递推的方式辨识,可采用线性方法和非线性方法分别辨识。然后,为了提高机械臂带载时的模型精度,提出了一种针对机械臂末端六维力/力矩传感器的降噪方法,包括寻找匹配信号的搜索方法和自适应层数的方法。由于分解层数会直接影响到小波阈值降噪方法的降噪结果,因而本文基于末端传感器多路输出信号之间的相关性分析,借助提出的搜索方法,得到一组匹配的信号,然后通过检测不同分解层数的近似系数重构是否保留了该匹配信号的变化趋势,确定合适的分解层数。最后,完成了相关的仿真及实验。利用软件中建立的仿真模型生成参数辨识仿真数据,完成并分析了机械臂低速和高速运行时对关节参数的辨识效果,以及比较了采用不同的辨识方法,不同的辨识方案对杆件参数的辨识效果。对于提出的传感器降噪方法,进行了实验,实验结果表明提出的降噪方法具有一定效果。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP241
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文研制并投入使用了航天飞机的遥控机械臂系统 SRMS、空间站的远程遥操作机械臂系 SSRMS、日本的实验舱远程遥操作机械臂系统 JEMRMS 以及欧洲的遥操作机械臂 ERA 等大型机械臂[1]，可以在恶劣环境下有效解决特殊操作任务，很大程度上提高了工作的效率。1981 年，加拿大设计的适用于航天飞机的 SRMS 投入使用，其总长度 15.2米，直径 0.38 米，自重 480 千克，安置在航天飞机货仓一侧，如图 1-1 所示，主要用于抓捕与投放卫星，以及物品的搬运[2]。2001 年，加拿大为国际空间站设计的移动服务系统 MSS 开始服役，活动基座系统 MBS，远距离机械手 SSRMS 和SPDM 是其主要组成部分[2]。其中 SSRMS 有 7 个可活动关节，如图 1-2 所示，总长 17.6 米，总重 1800 公斤，可以利用两个末端操作器交替移动实现换位，也可利用 MBS 进行快速移动，SPDM 可安装在 SSRMS 末端实现对目标的灵巧操作。MSS 用于空间站建造和维修以及辅助飞船对接空间站[3]。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文研制并投入使用了航天飞机的遥控机械臂系统 SRMS、空间站的远程遥操作机械臂系 SSRMS、日本的实验舱远程遥操作机械臂系统 JEMRMS 以及欧洲的遥操作机械臂 ERA 等大型机械臂[1]，可以在恶劣环境下有效解决特殊操作任务，很大程度上提高了工作的效率。1981 年，加拿大设计的适用于航天飞机的 SRMS 投入使用，其总长度 15.2米，直径 0.38 米，自重 480 千克，安置在航天飞机货仓一侧，如图 1-1 所示，主要用于抓捕与投放卫星，以及物品的搬运[2]。2001 年，加拿大为国际空间站设计的移动服务系统 MSS 开始服役，活动基座系统 MBS，远距离机械手 SSRMS 和SPDM 是其主要组成部分[2]。其中 SSRMS 有 7 个可活动关节，如图 1-2 所示，总长 17.6 米，总重 1800 公斤，可以利用两个末端操作器交替移动实现换位，也可利用 MBS 进行快速移动，SPDM 可安装在 SSRMS 末端实现对目标的灵巧操作。MSS 用于空间站建造和维修以及辅助飞船对接空间站[3]。

图 1-3 日本实验舱机械臂 图 1-4 欧洲机械臂我国对于大型机械臂的研究起步较晚，国内缺乏相应资料的同时又难以从国外获得技术。2007 年时，中国空间技术研究院的总体部全面开启了空间站机械臂的研究工作，先后研制其原理样机及工程样机，并且完成了相关的技术研究任务[5]。国内一些其他的科研机构也陆续开始了空间机械臂的研究，并且硕果颇丰。如图 1-5 所示为北京邮电大学和中科院联合研发的空间机械手系统，该系统具有6 个关节和 1 个末端操作器[6]。哈尔滨工业大学也研发并制造出了空间机械臂的地面原理样机[6]，如图 1-6 所示。哈尔滨工业大学学者研究了空间机械臂柔性关节的轨迹规划与控制系统[7]，对于空间柔性机械臂动力学建模以及抓捕目标时的控制策略进行了研究[8]，也研究了同时抑制关节的振动及机械臂振动的稳定性策略[9]。
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本文编号：2879487