作大范围运动空间柔性机械臂动力学建模与控制的研究

摘要

随着航天技术的发展，空间机械臂的应用越来越广泛。本文针对环绕目标航天器飞行的载体位姿受控的空间柔性机械臂系统动力学建模与控制进行研究。
　　本文首先采用传统混合坐标法对空间柔性机械臂系统进行动力学建模，分别利用假设模态法和有限元法描述机械臂的柔性变形，基于Lagrange方程建立系统在惯性坐标系下的动力学模型；然后结合空间柔性机械臂系统环绕目标航天器飞行的相对运动动力学方程对惯性坐标系下的动力学模型进行修正；再根据空间柔性机械臂系统的逆运动学和三次样条插值规划机械臂抓取目标航天器过程中系统的载体位姿以及机械臂关节角的轨迹；最后根据奇异摄动法设计控制器。仿真结果表明所设计的控制器能够对系统载体位姿和机械臂关节角实现轨迹跟踪，并且对机械臂的振动有良好的抑制效果。
　　为揭示中线耦合变形与大范围运动的耦合效应对空间柔性机械臂振动的影响，先研究作大范围转动的一维悬臂梁。仿真结果表明，由于传统混合坐标法建模时未考虑中线耦合变形，当悬臂梁的转动角速度大于其横向振动的一阶固有频率时，悬臂梁系统出现负刚度，振动发散；而考虑中线耦合变形的耦合动力学模型的纵向振动与横向振动仍然稳定，与实际情况相符。对于空间柔性机械臂系统，由于在抓取目标航天器的过程中机械臂的角速度远小于其自身横向振动的一阶固有频率，因此考虑中线耦合变形的动力学模型与传统混合坐标法模型的仿真结果几乎一致。考虑中线耦合的建模方法对机械臂振动的描述更准确，可以应用于未来可能出现的柔性机械臂高速转动的情况。
　　为进一步对所建立的动力学模型以及所设计的控制器进行验证，本文基于ADAMS虚拟样机动力学仿真环境，结合 ANSYS有限元分析软件，建立载体位姿受控的空间柔性机械臂系统虚拟样机，借助ADAMS与MATLAB间的数据交互接口，建立ADAMS-MATLAB联合仿真平台，完成了空间柔性机械臂系统虚拟样机联合仿真实验。虚拟样机仿真实验的结果与自编程序数值仿真结果高度吻合，证明了本文所建立空间柔性机械臂系统动力学模型的正确性与所设计控制器的有效性。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 空间机械臂的研究现状

1.3 空间柔性机械臂的建模理论

1.4 空间柔性机械臂的控制理论

1.5 本文的研究内容及章节安排

第二章 基于传统方法的空间柔性机械臂系统动力学建模与控制

2.1 引言

2.2 问题描述

2.3 假设模态法

2.4 有限元法

2.5 空间柔性机械臂系统的轨迹规划

2.6 控制器设计

2.7 数值仿真

2.8 本章小结

第三章 作大范围运动悬臂梁的动力学性质研究

3.1 引言

3.2 悬臂梁的动力学模型

3.3 数值仿真

3.4 本章小结

第四章 考虑柔性机械臂中线耦合变形的系统动力学建模与控制

4.1 引言

4.2 考虑柔性机械臂中线耦合变形的系统动力学模型

4.3 数值仿真

4.4 本章小结

第五章 空间柔性机械臂系统虚拟样机动力学建模与控制仿真

5.1 引言

5.2 空间柔性机械臂系统虚拟样机模型

5.3 基于ADAMS和MATLAB的联合仿真

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 不足之处与研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录