机械臂重力补偿装置的随动系统的设计与实现

摘要

随着我国探月工程的发展，对月球机械臂的地面模拟(微重力模拟)试验变得越来越重要。当前，微重力模拟的方法主要有气浮法、水浮法、落塔法和悬吊法等。其中，悬吊法主要是通过吊丝拉力来补偿机械臂自身的重力，本系统中只需要补偿机械臂重力的5/6。由于悬吊法具有结构简单、易于实现且能够进行三维模拟等特点，是目前各国广泛采用的微重力模拟方法之一。
　　本课题设计并实现了机械臂重力补偿装置的随动系统。机械臂重力补偿装置用来补偿机械臂5/6的重力，为其地面试验提供月球微重力的力学环境；随动系统在机械臂运动过程中使重力补偿装置跟随机械臂运动；重力补偿装置以悬吊法实现，悬吊点位置的跟踪误差是影响地面试验的关键因素，较大的跟随误差将对机械臂产生水平方向的干扰力矩，破坏地面试验的力学环境。本课题提出了视觉伺服跟踪随动方法，设计并实现了一套微重力地面试验验证系统，有效地减小了随动误差，降低了重力补偿装置对机械臂产生的侧向干扰力矩。
　　本文首先介绍了月球机械臂地面模拟试验装置的硬件结构；其次介绍了基于位置伺服的随动系统的整体结构，以及系统的可靠性设计；最后详细地介绍了随动系统个部分的设计与实现。
　　图像作为整个系统的关键反馈信息，其成像质量直接影响着系统的精度，为了能够满足高精度、大视场、大景深、高频率的成像条件，本系统设计了一套基于激光测距仪及双相机的视觉测量系统。
　　如何选取合适的图像特征，保证能够快速的检测目标并实现准确地定位是图像处理过程的关键。本系统设计了以LED光源主动发光为基础的目标标志器，提出了一套目标识别、检测和位置测量的方法。
　　在传统的基于位置的随动系统中，总是跟随目标的运动在先，执行机构的随动在后，因此执行机构总是滞后于运动目标，难以减小随动过程中的位置偏差。针对此问题，本文提出了利用卡尔曼滤波对机械臂的运动进行估计的方法，以此来对执行机构的动作进行预测，提高随动系统的动态性能，该方法有效地减少了随动偏差。
　　在执行机构的控制方面，为了简化控制器的设计，将控制器分为视觉控制器和执行机构控制器。执行机构控制器采用了PC机+PMAC运动控制卡的方式实现了数字PID控制。数字PID控制器简单可靠，PMAC运动控制卡能够实现同时对多个电机的控制且提供了良好的软件开放性，二者结合完美地实现了对执行机构的精确控制。
　　经过实验验证，研制的机械臂重力补偿装置随动系统的各项性能指标满足地面实验的要求。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 研制目标

1.5 论文的主要内容

第2章 机械臂重力补偿装置随动系统的总体结构设计与分析

2.1 任务描述

2.2 机械臂重力补偿装置的硬件结构设计

2.3 随动控制系统的结构设计

2.4 系统可靠性设计

2.5 本章小结

第3章 随动系统控制子系统的设计与实现

3.1 电机及驱动器的选型

3.2 PMAC控制卡简介

3.3 控制器的设计

3.4 控制子系统的测试与分析

3.5 本章小结

第4章 随动系统视觉反馈子系统的设计与实现

4.1 视觉反馈子系统的设计

4.2 图像处理

4.3 视觉反馈子系统的测试

4.4 本章小结

第5章 随动系统的设计与实现

5.1 系统的标定

5.2 对机械臂运动的估计

5.3 系统测试与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢