飘浮基两杆柔性空间机械臂的振动分析与振动抑制

摘要

飘浮基空间机器人由于具有非线性、强耦合的特点,其系统运动学和动力学模型、动力学控制要比地面机器人系统复杂的多.为了节省发射费用,空间机械臂系统将越来越轻,从而导致机械臂的柔性越来越大.由于刚性运动和柔性振动的相互作用,每一个关节的控制力矩不但要保证跟踪上关节期望运动轨迹,同时要控制相应的柔性臂的振动,使得控制漂浮基柔性空间机械臂要比相应的刚性空间机器人复杂的多.对载体位置无控、姿态受控的飘浮基两杆柔性空间机械臂操作过程中的振动进行了分析,并提出了对振动进行有效抑制的方法.首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到系统的动力学方程.然后对该系统操作过程中的振动进行了分析.接着利用奇异摄动法,将两杆柔性空间机械臂系统分解为一个关于载体姿态、杆件关节轨迹跟踪的慢变子系统和一个描述柔性臂变形的快变子系统.以此为基础,提出了一个由慢变控制项和一个快变控制项组成的复合控制器,使得机械臂在操作过程中跟踪上载体姿态和关节期望轨迹的同时柔性臂的振动得到了有效的抑制.该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度.