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标题: 高可靠性末端效应器控制系统设计 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2013-12-7 22:22 标题: 高可靠性末端效应器控制系统设计

关键字：末端效应器控制系统动力学
摘要：针对末端效应器是一个典型的非线性系统，且在微重力、环境温度变化剧烈的太空中，机械机构的参数随着负载状态和环境变化而变化，很难得到一个准确的动力学模型。因此文中研究的主要内容是在空间环境中，如何实现末端效应器稳定可靠的控制，完成捕获、拉紧及锁合任务。
本文设计了高可靠性的独立控制系统，并且从软硬件的角度采提高系统的可靠性；在高可靠性独立控制系统的基础上，通过采用合理的容错控制策略来提高末端效应器的可靠性和延长使用寿命。

随着我国的空间站建设已经提上日程，空间站建设是一个复杂的大系统工程，在建设过程中要求有搬运能力强的空间大机械臂，实现目标飞行器和机械臂之间的数据传输，并能够提供航天员出舱活动的平台。针对上述要求末端效应器无疑是最合适的方案。

锁合末端效应器(简称末端效应器)是大型空间站机械臂的一部分，包括捕获机构、拉紧机构和锁合机构，主要完成对目标飞行器的捕获、抓取及释放等任务。末端效应器具有结构简单、兼容性好、在轨寿命长、可靠性高和相互性好等优点。

为了实现高可靠性末端效应器控制系统，提出并设计了高可靠性独立控制系统，并且通过从软硬件的角度提高系统的可靠性；在高可靠性独立控制系统的基础上，设计了合理的容错控制策略。该系统能够完成对其准确测试。

1 高可靠性独立控制系统

末端效应器机械机构的运动可以看作是一个点到点的运动，首先需要考虑在两个位置之间的运动轨迹，也就是运动规划问题，然后根据规划的运动要求进行执行器的控制，因此末端效应器的运动控制系统包括任务的运动规划和驱动机构的执行级控制。

1.1 运动规划

对于末端效应器的运动控制规划较为简单而且固定。为保证长期稳定可靠的工作，需要减少摩擦损耗，因此要保证运动应尽可能的平滑，也就是要求加速度要小并且变化平缓，速度变化也要平缓。在该要求下，最终的速度轨迹可以采用梯形、正弦形等形式，通过采样得到一组合适的轨迹点输入到控制输入端即可。一般情况下，速度控制的主要功能是通过有目的地限制加速度来减少轨迹误差。为避免驱动轴产生冲击、失步、超程和振荡，保证运动部件的平稳和准确定位，在启停阶段或各程序转接时，要进行加减速控制，以使进给速度平滑过渡。

目前运动控制系统中常用的加减速规律包括很多，常见的加减速控制算法有直线、三角函数、指数、抛物线、S曲线加减速等算法。在本系统中采用了三角函数加减速规律，如图1所示。由于三角函数的计算复杂，不能满足数控系统实时性要求。可以事先对其进行处理，将其做成查找表的形式存放于内存中。

由于三角函数加减速规律可以实现平滑运动，采用这种运动轨迹，使得控制更加容易，并且潜在里也会提高系统的控制精度，延长系统寿命。三角函数的最大加速度、速度等参数要结合电机的参数和负载情况进行选择。

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