基于扰动观测器的力估计方法的研究

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力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境。但是,由于在某些设备中机构的尺寸受到限制、机构的运行环境恶劣以及传感器成本偏高等原因,使得力传感器的应用受到限制。  针对此问题,本文研究了基于扰动观测器的力估计方法,在不使用力传感器的情况下分别对单自由度系统和多自由度系统进行力估计,其中包括估计单自由度电梯门机系统的摩擦力和估计多自由度机构与环境之间的作用力这两方面。主要研究内容如下:  1.单自由度系统力估计的实验研究。通过基于扰动观测器的力估计方法对单自由度电梯门机系统的摩擦力进行实验研究。主要内容包括:推导了电梯门机系统的动力学方程,并由此导出基于扰动观测器的摩擦力估计模型;建立电梯门机系统的硬件和软件实验平台;通过实验得到不同负载下的四组数据,因为无负载的那组数据代表电梯正常运行状态,即动力学模型中的扰动为0,而其他三种运行状态的扰动均不为0,且在实际情况下难以知道扰动的准确值,所以运用最小二乘法对无负载的那组数据进行动力学参数辨识;通过辨识所得参数建立电梯门机系统的力估计模型,并对其他三组数据进行力估计。用此实验研究基于扰动观测器的力估计方法的准确性以及使用范围。  2.多自由度机构力估计的仿真。建立多自由度机器人的动力学模型,导出了多自由度机构与环境之间作用力估计模型,并对基于扰动观测器的力估计的进行仿真。主要包括:采用 D-H法建立多自由度机器人各个构件的固连坐标系,利用齐次坐标变换求出了机器人的运动学正解;用牛顿-欧拉迭代动力学方程建立了机器人的动力学模型;通过雅可比矩阵分析了作用在机器人执行器末端上的外力和作用在机器人关节上的外力矩之间的转换关系,导出了基于扰动观测器的执行器末端和环境间的作用力的模型;通过 ADAMS仿真软件建立动力学仿真模型,通过仿真所得的数据进行动力学参数辨识和基于扰动观测器的力估计方法的仿真。
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