空間柔性機械臂動力學(xué)建模與仿真研究.pdf

1、人類對外太空的不斷探索使得空間機械臂技術(shù)頗受關(guān)注。美國、加拿大、日本等航天大國已經(jīng)掌握了部分關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)需求研發(fā)了幾種不同類型的空間站機械臂并已投入使用。我國也正著手加強這方面的研究，以便順利實現(xiàn)我國空間三步走計劃。空間機械臂動力學(xué)建模是空間機械臂研究的重要基礎(chǔ)，在外太空復(fù)雜的環(huán)境下，建立能精確描述機械臂實際運行狀態(tài)的模型，掌握機械臂系統(tǒng)動力學(xué)特性，對機械臂的精確控制尤為重要。因此，對空間機械臂動力學(xué)建模技術(shù)的研究是非常有必要和關(guān)鍵的

2、。本文以大型空間柔性機械臂為研究對象，對機械臂動力學(xué)建模理論、仿真驗證和動力學(xué)特性進行了深入的分析與研究。
　　首先，本文對目前空間機械臂的應(yīng)用研究現(xiàn)狀和動力學(xué)建模研究現(xiàn)狀展開了詳細調(diào)研，確定以大型空間雙連桿機械臂為研究對象，綜合考慮臂桿柔性和關(guān)節(jié)柔性對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。用假設(shè)模態(tài)法分析臂桿柔性，通過模態(tài)實驗分析將柔性臂桿視為懸臂梁處理，截取前兩階振動模態(tài)。根據(jù)Spong關(guān)節(jié)模型簡化原理，將柔性關(guān)節(jié)的變形近似等效為剛度系數(shù)為k的線性

3、扭轉(zhuǎn)彈簧。
　　其次，對空間柔性機械臂建模方法進行了研究。本文采用相對坐標法，對柔性臂上任意點的位置進行描述。為便于后續(xù)對機械臂從動力學(xué)分析向控制系統(tǒng)設(shè)計的轉(zhuǎn)化，本文采用Lagrange方程結(jié)合虛功原理推導(dǎo)了模型動力學(xué)方程的一般形式。
　　再次，對動力學(xué)方程求解方法進行了研究。本文的動力學(xué)方程是一組非常復(fù)雜的、強耦合的、非線性的、時變的微分方程，本文先用 MAPLE軟件輔助做復(fù)雜符號運算，求解出質(zhì)量矩陣及其導(dǎo)數(shù)、剛度矩陣、廣

4、義力和總動能等的符號表達式，將這些表達式移植到 Matlab中，基于 Newmark-β原理開發(fā)了 Matlab數(shù)值仿真程序，求解了方程的數(shù)值解。
　　然后，對所推導(dǎo)的動力學(xué)模型進行仿真驗證。用成熟的商業(yè)軟件ADAMS和ANSYS聯(lián)合設(shè)計并建立了柔性機械臂仿真模型，設(shè)定了多種工況，比較了兩種模型的輸出結(jié)果，證明了推導(dǎo)的動力學(xué)模型的準確性和建模方法的有效性。
　　最后，對柔性機械臂進行了瞬態(tài)響應(yīng)和頻率響應(yīng)實驗，還結(jié)合關(guān)節(jié)柔性、