撓性空間機(jī)械臂剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)與控制研究.pdf

1、隨著航天事業(yè)的迅速發(fā)展和對(duì)太空探索的不斷深入,空間機(jī)械臂將成為人類探索未來空間活動(dòng)的重要工具。由于要求工作空間盡可能大且質(zhì)量輕,大多數(shù)空間機(jī)械臂的撓性不可忽略。在軌執(zhí)行任務(wù)過程中,不適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)會(huì)引起撓性機(jī)械臂的振動(dòng),導(dǎo)致任務(wù)的失敗。本課題即以撓性空間機(jī)械臂為對(duì)象,對(duì)其剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)與振動(dòng)抑制控制策略進(jìn)行研究,具體內(nèi)容包括:
　　基于解析法建立了撓性空間機(jī)械臂的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,作為軌跡規(guī)劃與控制方法研究的基礎(chǔ)?？臻g機(jī)械臂由多個(gè)連

2、桿及關(guān)節(jié)組成,針對(duì)不同的使用條件,各桿件所呈現(xiàn)的撓性特征不一樣。基于此,運(yùn)用拉格朗日方法分別建立了剛性雙連桿、剛—柔性雙桿及柔性雙連桿機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型,其中柔性桿件的變形描述采用了假設(shè)模態(tài)法。
　　利用Ansys軟件對(duì)撓性空間機(jī)械臂進(jìn)行模態(tài)分析,并在Adams環(huán)境中建立其剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,將其模型與解析法所建模型進(jìn)行校驗(yàn)。針對(duì)典型臂型及不同載荷下,分析了撓性機(jī)械臂的模態(tài),得出了其固有頻率與載荷的關(guān)系。然后基于Adams軟件建立

3、了機(jī)械臂的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型,對(duì)所建的解析模型進(jìn)行校驗(yàn),驗(yàn)證了解析模型的正確性。
　　研究了振動(dòng)抑制的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法,并利用所建的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。根據(jù)理論分析,關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)加速度是產(chǎn)生振動(dòng)的主要因素,因此以期望加速度為運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的目標(biāo)。在規(guī)劃中,以“正弦-梯形”函數(shù)為基函數(shù),利用多個(gè)基函數(shù)的疊加,得出加速度的運(yùn)動(dòng)軌跡。所采用的“正弦-梯形”基函數(shù)加、減速段為正弦函數(shù),通過調(diào)整加速、減速、勻速的時(shí)間比例,以及函數(shù)幅值,可得

4、出不同的加速度曲線。
　　提出一種前饋補(bǔ)償與反饋控制相結(jié)合的振動(dòng)抑制策略,并進(jìn)行仿真研究。振動(dòng)抑制方法包括被動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩大類,其中被動(dòng)控制從抑制振源、增大結(jié)構(gòu)阻尼等方面達(dá)到抑制目的,缺點(diǎn)是增大系統(tǒng)的重量和體積、且靈活性差,因此提出了采用前饋補(bǔ)償與反饋控制相結(jié)合的主動(dòng)控制方法,該方法的核心是將規(guī)劃的期望軌跡(關(guān)節(jié)角、角速度及角加速度)代入解析法所建立的動(dòng)力學(xué)模型,計(jì)算前饋力矩,與反饋控制力矩疊加后作為最終控制力矩,仿真結(jié)果驗(yàn)證