自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂动力学混合控制研究

摘要

随着航天技术和机器人技术的不断发展，自由浮动空间机器人越来越体现出其在空间在轨服务中的优越性，是空间技术的重要发展方向。而其中自由浮动柔性空间机械臂具有质量轻、操作空间大、发射成本低等特点，成为当前空间机械臂技术研究的热点。然而，由于空间柔性机械臂在运动中会产生扭曲、弹性、剪切等变形，给这类柔性机械臂的分析和控制带来了许多困难。把冗余度机器人和柔性机器人两方面的研究结合起来，利用机器人的冗余特性能够克服柔性机械臂在运动过程由弹性振动引起的末端误差和运动结束后的余振等问题。本文以一种平面内三连杆的自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂为研究对象，对其建模与控制进行了深入研究。
　　首先，基于拉格朗日法、假设模态法和系统动量守恒，推导了一种平面内三连杆的自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂操作末端刚性负载的动力学模型。
　　其次，在该空间机械臂动力学模型的基础上，针对末端刚性负载的轨迹跟踪和柔性连杆的弹性振动问题，本文分别设计了基于滑模控制，终端滑模控制，非奇异终端滑模控制以及PID积分滑模控制下，结合主动抑振控制和末端作用力的比例积分控制的混合控制，同时利用模糊理论消除滑模控制的抖振，分析各种控制方法的优缺点，并通过仿真实验验证控制方法的有效性。
　　再次，基于最小关节驱动力矩优化的建立平面内三连杆的自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂的混沌动力学模型，然后应用鲁棒补偿控制器调节其末端执行器的跟踪控制，得出了基于鲁棒控制器的角加速度反解表达式，并将其转换为状态方程的形式并在此基础上进行仿真来预测系统中的混沌现象。针对空间机械臂混沌动力学模型中的混沌现象，分别设计线性和非线性延迟反馈控制抑制混沌。通过数值仿真验证了控制方法的有效性。为开展其它更复杂的高冗余度、柔性、双臂自由浮动空间机器人系统中存在的混沌现象的研究工作奠定了基础。
　　最后，基于Matlab中的GUI设计了平面内三连杆的自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂动力学系统的可视化仿真平台，形象说明该空间机械臂系统各部分的运动情形。

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图表清单

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 空间机器人的国内外研究现状

1.3 空间机器人中的混沌现象

1.4 本文研究的主要内容

第二章 自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂的动力学建模

2.1 引言

2.2 自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂的动力学建模

2.3 本章小结

第三章 自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂的滑模变结构混合控制

3.1 引言

3.2 空间机械臂的轨迹跟踪控制

3.3 消除滑模控制的固有抖振

3.4 空间机械臂的作用力控制和柔性抑振控制

3.5 数值仿真

3.6 机械臂动力学奇异摄动控制

3.7 本章小结

第四章 自由浮动刚柔耦合冗余度空间机械臂的动力学混沌研究

4.1 引言

4.2 基于最小关节驱动力矩优化的空间机械臂混沌动力学建模

4.3空间机械臂系统的混沌识别

4.4空间机械臂系统的混沌控制

4.5 本章小结

第五章 自由浮动冗余度空间机械臂系统的GUI可视化仿真研究

5.1 引言

5.2 基于GUI的自由浮动冗余度空间机械臂系统的可视化仿真

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 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