用于航天服操作能力检测的机器人动力学研究

论文摘要

舱外航天服为航天员在出舱活动时提供基本的生命保障,由于航天员要完成各种舱外作业,因此要求航天服具有很高的活动性能,这就涉及到航天服工效学的问题。其中舱外航天服工作域是航天服工效学研究的重点之一。本文针对已研制的舱外航天服操作能力测试机械臂,采用机器人学原理,研究了其运动学与动力学特性,讨论了舱外航天服操作能力测量中的动力学影响,为航天服工效学的研究提供重要工具。本论文的主要工作包括以下几个方面。基于运动学、动力学有关的理论知识,刚体空间位置和姿态的描叙方法以及齐次坐标和坐标变换矩阵,建立检测机械臂坐标系和齐次变换矩阵以及运动学数学模型,并讨论机械臂的工作空间以及正、逆运动学问题。利用蒙特卡罗法通过Matlab计算出机械臂的工作空间,验证检测机械臂完成测量任务的可行性。采用D-H法建立机械臂的运动学方程,利用Matlab/Simulink和Robotics ToolBox两种方法对机械臂的正向运动进行仿真分析,得到机械臂关节空间的运动参数。运用FM算法对机械臂的逆运动学进行分析计算,为检测机械臂的动力学建模及仿真打下了基础。对检测机械臂的力学参数进行计算,机械臂各杆的质量和质心位置的确定及杆的转动惯量的计算。根据机械臂各个关节的质心位置及转动惯量,在运动学模型的基础上运用联立约束法建立机械臂的正向、逆向动力学方程,通过Matlab /Simulink进行动力学仿真求解,得到当已知机械臂的初始姿态及施加在末端测头的外力时,根据建立的正向动力学方程,通过Matlab编程,由Simulink仿真求解出各个关节的角度、角速度、角加速度和末端测点的加速度变化趋势,研究了恒力操作时,机械臂的运动特性。当机械臂末端测头沿着某曲线运动,给定该点的运动学特征,根据建立的机械臂逆动力学方程,通过Matlab/Simulink仿真求解得到了施加在末端测点力的变化。对检测机械臂进行了3-D建模,按照拉格朗日动力学理论,利用Adams软件和Matlab软件进行动力学联合仿真,得到了一致的结果。按照动力学研究结果,制定了舱外航天服操作能力测试的操作方法,并通过人的多次操作进行验证,为测试身着航天服宇航员的可达域、可操作域操作规程提供了指导。编写了实验数据的离线处理软件,对可达域、可操作域以及可视域的实验结果进行二维、三维可视化处理,完善了检测系统的实用性。本文完成的检测机械臂的动力学研究,提高了现有检测机械臂的测量精度,也为恒阻力检测机器人的特性及控制研究打下了基础。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究意义
• 1.3 人机合作机器人国内外研究现状
• 1.3.1 人机合作机器人概述及特点
• 1.3.2 人机合作机器人动力学研究现状
• 1.3.3 人机合作机器人应用现状
• 1.4 本文主要工作
• 2 机器人运动学和动力学概述
• 2.1 机器人运动学
• 2.1.1 齐次坐标
• 2.1.2 齐次变换矩阵和齐次变换
• 2.1.3 齐次变换矩阵的意义和类型
• 2.2 机器人动力学
• 2.2.1 拉格朗日法
• 2.2.2 Kane法
• 2.2.3 牛顿—欧拉法
• 2.2.4 联立约束法
• 2.3 本章小结
• 3 检测机械臂运动学方程的建立及仿真
• 3.1 检测机械臂的运动学方程的建立
• 3.1.1 机械臂的D-H坐标描述与连杆坐标系
• 3.1.2 机械臂的正运动学方程
• 3.1.3 基于蒙特卡罗法的工作空间
• 3.1.4 机械臂的逆运动学方程
• 3.2 检测机械臂的运动学仿真分析
• 3.2.1 运动学仿真建模
• 3.2.2 机械臂的正运动学实例分析
• 3.2.3 机械臂的逆运动学实例分析
• 3.3 本章小结
• 4 检测机械臂的动力学分析及仿真
• 4.1 检测机械臂力学参数的计算
• 4.1.1 机械臂各个杆的质量及质心位置
• 4.1.2 机械臂各个杆的惯量计算
• 4.2 检测机械臂动力学方程的建立
• 4.2.1 机械臂的运动约束方程
• 4.2.2 机械臂的牛顿—欧拉方程组
• 4.2.3 机械臂约束矩阵方程
• 4.3 检测机械臂动力学仿真分析
• 4.3.1 基于Matlab正向动力学仿真模型的建立
• 4.3.2 基于Matlab逆向动力学仿真模型的建立
• 4.3.3 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 5 实验研究
• 5.1 检测机械臂的联合仿真验证实验
• 5.1.1 构造机械臂的Adams/View模型
• 5.1.2 建立Adams输入/输出接口
• 5.1.3 构造Matlab/Simulink控制系统方框图
• 5.1.4 仿真验证结果分析
• 5.2 实验研究
• 5.2.1 实验系统组成
• 5.2.2 人的操作能力测试实验
• 5.2.3 实验数据的可视化
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 相关工作展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集