空間機器人動力學(xué)建模與參數(shù)辨識研究.pdf

1、隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類太空探索活動的日益增多，空間機器人因其能完成空間站的組裝與維修、以及抓捕、釋放、回收衛(wèi)星等高度復(fù)雜的任務(wù)，它在未來無疑將會扮演越來越重要的角色?？臻g機器人是由多個臂桿所組成，是典型的多體動力學(xué)系統(tǒng)，各機構(gòu)之間的鉸鏈存在著摩擦、間隙等非光滑因素，這些因素會對系統(tǒng)的動力學(xué)特性造成重要影響。另一方面，空間機器人在執(zhí)行任務(wù)時不可避免地要消耗能源，導(dǎo)致其慣性參數(shù)會產(chǎn)生變化，另外使用空間機器人捕獲目標(biāo)時也需要對被捕獲目標(biāo)

2、的慣性參數(shù)進(jìn)行識別。因此，開展空間機器人動力學(xué)建模與參數(shù)辨識問題的研究具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值，這些問題也是當(dāng)前多體動力學(xué)領(lǐng)域的熱點與難點問題。
　　本學(xué)位論文在國家自然科學(xué)基金(11132001,11272202,11472171)、上海市教委科研重點項目(14ZZ021)和上海市自然科學(xué)基金(14ZR1421000)的資助下，開展了空間機器人動力學(xué)建模與參數(shù)辨識的研究，主要研究內(nèi)容和成果總結(jié)如下：
　　(1)開展

3、了空間機器人動力學(xué)建模的研究。首先，給出空間機器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述，并建立了系統(tǒng)各機構(gòu)的等效物理、數(shù)學(xué)模型；然后，采用系統(tǒng)的獨立的廣義坐標(biāo)即鉸坐標(biāo)詳細(xì)推導(dǎo)了空間機器人多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)方程；進(jìn)而，分析關(guān)節(jié)摩擦對系統(tǒng)動力學(xué)方程的貢獻(xiàn)，給出了關(guān)節(jié)摩擦的具體形式；最后，開展數(shù)值仿真研究，驗證本文理論的有效性。數(shù)值仿真結(jié)果顯示，本論文所建立的多剛體系統(tǒng)動力學(xué)模型能夠有效地描述空間機器人的系統(tǒng)特性，這為后續(xù)的參數(shù)辨識工作打下了理論基礎(chǔ)。
　　

4、(2)基于牛頓歐拉方程開展了空間機器人慣性參數(shù)辨識的研究。首先，介紹了六維腕力傳感器及其工作原理；然后，推導(dǎo)了考慮關(guān)節(jié)摩擦情況下的空間機器人的牛頓歐拉方程，并且在此基礎(chǔ)上將方程進(jìn)行改寫，分離出待辨識的參數(shù)；進(jìn)而，基于牛頓歐拉方程和腕力傳感器信號求解空間機器人的慣性參數(shù)；最后，通過數(shù)值仿真對本文所給方法的有效性進(jìn)行了驗證，分別從本體、被抓取物體和整體角度進(jìn)行辨識仿真。數(shù)值仿真結(jié)果顯示，本論文所采用的辨識方法能準(zhǔn)確求解考慮關(guān)節(jié)摩擦情況下空間