绳索牵引机器人及虚拟重力系统研究.pdf

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1、学科、专业：所在单位：论文提交日期：论文答辩日期：学位授予单位：机械电子工程机电工程学院2010年3月2010年6月哈尔滨工程大学■一】■哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：列箨日期：2,010年‘月。6日学位论文授权使用声明本人完全了解学

2、校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(曰在授予学位后即可口在授予学位12个月后口解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字)：列攀日期：汕h年6月l6日导师(签字

3、)：锄州。‘峰￡R÷^

4、日{‘一r’—一j■绳索牵引机器人及虚拟重力系统研究摘要当前世界各国特别是美国、俄罗斯、中国等航天技术发达国家都在努力地发展载人航天技术，争取在世界高科技领域内占有一席之地。太空环境是一种真高空的微重力环境，宇航员在太空飞行时身体处于失重状态，这将对宇航员的生理系统和工作能力产生不利影响，严重的甚至可能威胁宇航员的生命。虚拟重力控制机器人系统能够在微重力条件下模拟重力场，用于锻炼宇航员的运动机能，从而避免长期生活在失重环境中的宇航员患得航天运动病。绳索牵引系统具有柔顺性好、占空间小及重量轻等优点，不会与人体产生刚性冲击碰撞，非常适合于虚拟重力控

5、制机器人系统的驱动控制。论文在高等学校博士学科点专项科研基金项目：微重力下肌力训练与运动机能康复机器人关键技术研究(20060217024)的资助下，针对如何通过绳索牵引机器人系统产生虚拟重力环境，实现微重力条件下的宇航员运动机能训练技术，在绳索牵引机器人可控工作空间、绳索牵引机器人控制方法、绳索牵引虚拟重力机器人虚拟重力控制特性、绳索牵引虚拟重力机器人力控制策略等方面进行详细的理论分析和实验研究。从力传递的角度分析了绳索牵引机器人的机构类型，提出了一种基于矢量封闭原理和特定力／力矩条件下的可控力螺旋工作空间，对两种完全约束机构类型进行了其可控力螺旋工作空间分析。利用

6、矢量代数法和三棱锥法建立了绳索牵引机器人的正逆运动学模型，进行了绳索牵引机器人的运动学仿真研究。工作空间分析和运动学研究为机器人的机构设计和控制系统设计提供了一定的理论依据。利用牛顿一欧拉法建立了绳索牵引机器人的动力学模型，推导出了绳索拉力与绳索内张力和绳索驱动力之间的关系。提出了绳索牵引机器人的基于预紧力的位置控制和力／位控制两种控制方法，设计了绳索牵引机器人的控制系统，利用Lyapunov方法进行了机器人控制系统的稳定性分析。在三自由度实验平台上进行了绳索牵引机器人的控制方法实验研究。在分析人体骨盆运动规律的基础上，提出了一种用于微重力环境进行宇航员运动机能训练的

7、绳索牵引虚拟重力机器人机构模型。分别利用运动影响系数法和牛顿．欧拉法建立了绳索牵引虚拟重力机器人的运动学模型和动力学模型。在动平台依附于人体骨盆的条件下，对机器人的动力学模型进行简哈尔滨下程大学博十学何论文化，推导出了虚拟重力机器人系统的力学模型，进行了绳索牵引虚拟重力机器人的虚拟重力控制特性仿真分析。在分析虚拟重力控制原理的基础上，利用MATLAB／Simulink软件建立了由人体骨盆模拟机构和六个绳索驱动单元等组成的虚拟重力机器人系统仿真模型。针对力信号易于波动很难控制的问题，将模糊滑模控制器应用到单绳索驱动单元的力控制系统中并进行仿真研究。采用理论分析和仿真研究

8、方法分析了绳索牵引虚拟重力机器人的准闭环力控制策略和双闭环力控制策略的可行性。研制了绳索牵引虚拟重力机器人的实验样机，介绍了实验系统的各部分构成及其功能。基于dSPACE平台进行了绳索牵引虚拟重力机器人的虚拟重力模拟控制实验，主要包括单绳索单元力闭环控制实验、准闭环力控制策略实验和双闭环力控制策略实验。实验研究验证了绳索牵引虚拟重力机器人模型的合理性、控制系统的稳定性以及虚拟重力控制策略的可行性。关键词：绳索牵引机器人；虚拟重力控制；力／位控制；可控工作空间ll^-绳索牵引机器人及虚拟重力系统研究AbstractAtpresent，everycoun