自由浮动空间柔性机械臂运动控制与混沌抑制研究

摘要

太空中蕴藏着丰富的空间资源、能源资源和矿产资源，对人类来说，宇宙的魅力是无限的。近些年来，随着航天技术的不断发展，科学家们取得了卓越的成果。由于空间机械臂系统工作在微重力、强辐射、超低温的太空环境中，同地面机器人相比，空间机器人所遭受的外界干扰因素十分复杂。而且柔性机械臂系统本身具有多自由度、质量轻、臂长和速度快的特点，在运动过程中会伴随着机械臂变形和连杆振动的现象，不利于精确作业，甚至会导致系统不稳定而无法完成任务。本文以自由浮动空间柔性机械臂系统建模为基础，对其进行了一系列的控制仿真研究。
　　首先，利用假设模态法描述了柔性机械臂的弹性形变，结合拉格朗日方程和系统的动量守恒方程建立了自由浮动空间柔性机械臂系统的动力学方程。通过计算力矩方法进行了末端执行器的目标轨迹跟踪控制的仿真分析研究，验证了所建动力学模型的正确性。
　　其次，考虑系统柔性机械臂的弹性振动运动对目标控制的影响，将系统的动力学模型进行了奇异摄动分解，系统模型被表示为关于末端轨迹跟踪的慢变子系统和描述柔性连杆振动的快变子系统。对慢变子系统提出了一种基于SVM不确定非线性补偿的自适应滑模控制方法，对快变子系统则采用了最优控制方法，并进行了系统仿真分析研究。
　　最后，建立了自由浮动冗余度空间柔性机械臂系统的动力学方程，求解了其最小关节力矩优化的加速度逆解及其状态方程。仿真中发现在特定初始条件下，冗余度空间柔性机械臂动力学系统会产生复杂的混沌运动。进而设计了延迟反馈零空间 PD控制器，将该系统中的混沌运动转变成规则的周期运动，抑制了其动力学系统中的混沌振动。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2自由浮动空间机器人研究目的和意义

1.3国内外空间机器人研究现状及其发展趋势

1.4 本文研究的主要内容

第二章 自由浮动空间柔性机械臂建模与运动控制

2.1前言

2.2自由浮动空间柔性机械臂系统建模

2.3末端目标轨迹跟踪控制仿真研究

2.4 本章小结

第三章 自由浮动空间柔性机械臂模型分解与控制研究

3.1 前言

3.2基于奇异摄动方法的模型分解

3.3慢变子系统的自适应SVM不确定非线性补偿滑模控制

3.4快变子系统的柔性振动最优控制

3.5分解系统的组合控制仿真分析

3.6本章小结

第四章 冗余度空间柔性机械臂运动中的混沌与抑制研究

4.1 前言

4.2冗余度空间柔性机械臂动力学方程

4.3受最小关节力矩优化约束的关节角加速度逆解

4.4 基于最小关节力矩优化的末端目标轨迹跟踪控制研究

4.5 基于零空间的状态延迟反馈PD混沌控制研究

4.6 基于零空间的状态延迟反馈PD混沌控制仿真与分析

4.7本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2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