挠性空间机械臂刚柔耦合动力学与控制研究

摘要

随着航天事业的迅速发展和对太空探索的不断深入,空间机械臂将成为人类探索未来空间活动的重要工具。由于要求工作空间尽可能大且质量轻,大多数空间机械臂的挠性不可忽略。在轨执行任务过程中,不适当的运动会引起挠性机械臂的振动,导致任务的失败。本课题即以挠性空间机械臂为对象,对其刚柔耦合动力学与振动抑制控制策略进行研究,具体内容包括:
　　基于解析法建立了挠性空间机械臂的刚柔耦合动力学模型,作为轨迹规划与控制方法研究的基础。空间机械臂由多个连杆及关节组成,针对不同的使用条件,各杆件所呈现的挠性特征不一样。基于此,运用拉格朗日方法分别建立了刚性双连杆、刚—柔性双杆及柔性双连杆机械臂的动力学模型,其中柔性杆件的变形描述采用了假设模态法。
　　利用Ansys软件对挠性空间机械臂进行模态分析,并在Adams环境中建立其刚柔耦合动力学模型,将其模型与解析法所建模型进行校验。针对典型臂型及不同载荷下,分析了挠性机械臂的模态,得出了其固有频率与载荷的关系。然后基于Adams软件建立了机械臂的刚柔耦合动力学模型,对所建的解析模型进行校验,验证了解析模型的正确性。
　　研究了振动抑制的运动规划方法,并利用所建的刚柔耦合动力学模型进行了仿真验证。根据理论分析,关节运动加速度是产生振动的主要因素,因此以期望加速度为运动规划的目标。在规划中,以“正弦-梯形”函数为基函数,利用多个基函数的叠加,得出加速度的运动轨迹。所采用的“正弦-梯形”基函数加、减速段为正弦函数,通过调整加速、减速、匀速的时间比例,以及函数幅值,可得出不同的加速度曲线。
　　提出一种前馈补偿与反馈控制相结合的振动抑制策略,并进行仿真研究。振动抑制方法包括被动控制和主动控制两大类,其中被动控制从抑制振源、增大结构阻尼等方面达到抑制目的,缺点是增大系统的重量和体积、且灵活性差,因此提出了采用前馈补偿与反馈控制相结合的主动控制方法,该方法的核心是将规划的期望轨迹(关节角、角速度及角加速度)代入解析法所建立的动力学模型,计算前馈力矩,与反馈控制力矩叠加后作为最终控制力矩,仿真结果验证了所提方法的正确性。
　　本课题从挠性空间机械臂的刚柔耦合动力学建模、振动抑制的轨迹规划及控制等方面开展研究,所取得的成果对于空间机械臂的应用具有重要的理论和实际意义。

目录

摘 要

Abstract

目 录

第 1 章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究的目的和意义

1.3 发展概况

1.3.1 国内外挠性空间机械臂的发展现状

1.3.2 挠性空间机械臂建模理论与现状研究

1.3.3 挠性空间机械臂的控制方法研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第 2 章 基于解析法的挠性空间机械臂刚柔耦合动力学建模

2.1 引言

2.2 挠性空间机械臂动力学特性分析

2.3 刚性双连杆机械臂的动力学建模研究

2.3.1 刚性双连杆机械臂动力学方程

2.3.2 刚性双连杆机械臂动力学数值仿真

2.4 柔性双连杆机械臂的动力学建模研究

2.4.1 柔性机械臂动力学建模方法

2.4.2 柔性机械臂上任一点状态描述

2.4.3 柔性双连杆机械臂动力学方程

2.4.4 柔性双连杆机械臂动力学数值仿真

2.5 刚柔双连杆机械臂的动力学建模研究

2.5.1 刚柔双连杆机械臂动力学方程

2.5.2 刚柔双连杆机械臂动力学数值仿真

2.6 本章小结

第 3 章 挠性空间机械臂的模态分析与动力学模型校验

3.1 引言

3.2 挠性空间机械臂的模态分析

3.2.1 有限元方法介绍

3.2.2 挠性空间机械臂有限元模型

3.2.3 不同臂形下的挠性空间机械臂模态分析

3.2.4 臂形相同负载不同的挠性臂模态分析

3.3 基于ADAMS的挠性空间机械臂刚柔耦合动力学建模

3.3.1 刚性双连杆机械臂动力学仿真分析

3.3.2 柔性双连杆机械臂动力学仿真分析

3.3.3 刚柔双连杆机械臂动力学仿真分析

3.4 不同方法所建刚柔耦合动力学模型校验

3.5 本章小结

第 4 章 挠性空间机械臂的振动抑制规划研究

4.1 引言

4.2 运动规划概述

4.3 轨迹规划方法

4.3.1 常规轨迹规划方法

4.3.2 振动抑制轨迹规划

4.4 仿真验证

4.4.1 常规三次多项式规划

4.4.2 采用振动抑制方法的情况

4.5 本章小结

第 5 章 挠性空间机械臂振动抑制控制方法研究

5.1 引言

5.2 抑制振动的被动控制方法

5.2.1 抑制振源

5.2.2 减振技术

5.2.3 隔振技术

5.3 基于前馈补偿的主动控制方法

5.3.1 PID闭环控制理论

5.3.2 基于前馈补偿的主动振动控制方法

5.4 仿真研究

5.4.1 常规PID控制

5.4.2 基于前馈补偿的振动抑制

5.5 本章小结

结 论

参考文献

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致谢