空間機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)及捕獲問題研究.pdf

1、伴隨人類科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人類探索太空活動(dòng)的不斷深入，空間機(jī)器人正在逐漸取代人類航天員成為執(zhí)行航天器在軌服務(wù)任務(wù)的主體。相對(duì)于遙控和半遙控空間機(jī)器人，具有自主在軌服務(wù)能力的空間機(jī)器人因其能夠避免操作延時(shí)大、環(huán)境適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)，從而成為各個(gè)航天大國研究開發(fā)的重點(diǎn)。由于空間機(jī)器人系統(tǒng)本身具有很強(qiáng)的非線性和耦合性，其動(dòng)力學(xué)問題的復(fù)雜程度和操作控制的難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面具有固定支座的工業(yè)機(jī)器人，這對(duì)空間機(jī)器人自主完成在軌服務(wù)提出了巨大挑戰(zhàn)。<

2、br>　　本學(xué)位論文在國家自然科學(xué)基金(11132001,11272202)、上海市教委科研重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZZ021)和上海市自然科學(xué)基金(14ZR1421000)的資助下，開展了空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與控制問題的研究，主要研究內(nèi)容和成果總結(jié)如下：
　　(1)分別對(duì)剛性空間機(jī)器人與柔性空間機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模問題進(jìn)行了研究?；趩蜗蜻f推組集多體動(dòng)力學(xué)方法分別給出了剛性空間機(jī)器人和柔性空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)過程，并且通過與

3、ADAMS軟件的仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了本文所建模型的正確性。
　　(2)分別對(duì)剛性空間機(jī)器人和柔性空間機(jī)器人捕獲空間自由漂浮目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)與控制問題進(jìn)行了研究。首先基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和 Hertz碰撞理論分別建立了剛性空間機(jī)器人和柔性空間機(jī)器人機(jī)械臂末端執(zhí)行器與被捕獲目標(biāo)之間的接觸檢測與接觸力模型，然后分別基于計(jì)算力矩方法和PD控制方法設(shè)計(jì)了剛性空間機(jī)器人和柔性空間機(jī)器人的控制器。在此基礎(chǔ)上，對(duì)空間機(jī)器人捕獲空間自由漂浮目標(biāo)進(jìn)行了數(shù)值

4、仿真研究。在剛性空間機(jī)器人的研究中，分別研究了末端執(zhí)行器與被捕獲目標(biāo)之間對(duì)心碰撞和偏心碰撞對(duì)捕獲操作和系統(tǒng)特性的影響。在柔性空間機(jī)器人的研究中，不但研究了對(duì)心碰撞和偏心碰撞對(duì)捕獲操作和系統(tǒng)特性的影響，而且研究了末端執(zhí)行器與被捕獲目標(biāo)相向運(yùn)動(dòng)和同向運(yùn)動(dòng)的影響。數(shù)值仿真結(jié)果顯示，捕獲操作會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生十分不利的影響；捕獲過程中末端執(zhí)行器與自由漂浮物體之間存在著連續(xù)多次碰撞；相對(duì)于對(duì)心碰撞，偏心碰撞因具有更大且更復(fù)雜的動(dòng)量矩輸入，從而會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)

5、生更大的沖擊；相對(duì)于同向碰撞，相向碰撞由于會(huì)引起系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減少從而會(huì)引起系統(tǒng)更大的響應(yīng)；另外仿真結(jié)果證明了本文所設(shè)計(jì)的計(jì)算力矩控制器和PD控制器的有效性。
　　(3)分別對(duì)考慮關(guān)節(jié)摩擦的剛性空間機(jī)器人和柔性空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與控制問題進(jìn)行了研究。對(duì)于考慮關(guān)節(jié)摩擦的剛性空間機(jī)器人，給出了一種基于單向遞推組集方法、第一類Lagrangian方程和牛頓-歐拉法的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法；對(duì)于考慮關(guān)節(jié)摩擦的柔性空間機(jī)器人，則給出了一種基于

6、單向遞推組集方法和牛頓-歐拉法的動(dòng)力學(xué)建模方法。通過與ADAMS軟件的仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了以上兩種建模方法的正確性。數(shù)值仿真中，詳細(xì)研究了關(guān)節(jié)摩擦對(duì)系統(tǒng)特性的影響以及不同摩擦模型之間的區(qū)別。仿真結(jié)果顯示，空間機(jī)器人關(guān)節(jié)摩擦現(xiàn)象會(huì)對(duì)系統(tǒng)特性造成影響；在一定條件下并非運(yùn)動(dòng)速度越低越容易產(chǎn)生“stick-slip”現(xiàn)象，反而是相對(duì)較快的速度會(huì)引起更為明顯的“stick-slip”現(xiàn)象；相對(duì)于Coulomb模型和 Stribeck模型，LuG

7、re模型能夠更好地描述低速摩擦特性；LuGre摩擦模型中的參數(shù)?0(鬃毛平均剛度)和?1(鬃毛平均阻尼剛度)對(duì)于描述關(guān)節(jié)摩擦力是極其重要的，關(guān)節(jié)摩擦對(duì)柔性空間機(jī)器人產(chǎn)生的不利影響會(huì)隨著?0和?1的增大而增大。
　　(4)對(duì)可變結(jié)構(gòu)桁架機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模以及控制問題進(jìn)行了研究。首先對(duì)可變結(jié)構(gòu)桁架機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了等效簡化，并利用等價(jià)原理將原系統(tǒng)從閉環(huán)系統(tǒng)變成開環(huán)系統(tǒng)；然后利用系統(tǒng)的幾何關(guān)系和單向遞推組集方法推導(dǎo)了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與