發(fā)布時間：2016-08-30 10:55

  本文關鍵詞：空間柔性機械臂動力學建模、軌跡規(guī)劃與振動抑制研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《北京理工大學》 2014年

空間柔性機械臂動力學建模、軌跡規(guī)劃與振動抑制研究

楊永泰  

【摘要】：隨著21世紀航天事業(yè)的迅速發(fā)展以及航天應用需求的日益增加，未來的空間任務越來越多，例如空間站的建設和運營、航天員艙外運動等，這些空間任務都需要空間機械臂來完成。空間機械臂是我國載人航天三期工程的重大關鍵技術之一，是深入開展載人航天活動必不可少的工具，是支持空間站建設和運營的關鍵設備，也是空間站四個關鍵技術攻關項目之一。在空間應用中，，由于發(fā)射成本的限制、空間能源的限制以及空間操作的要求，輕質量、高載重/自重比、低能耗、操作靈活以及響應快速的多自由度柔性機械臂得到了世界各航天強國的高度重視，應用也越來越廣泛。 空間柔性機械臂本質上屬于多體系統(tǒng)動力學的范疇，而柔性多體系統(tǒng)動力學的研究也一直是該研究領域的熱點和難點之一�；谛∽冃�、小轉動假設的柔性多體系統(tǒng)動力學，已經(jīng)無法滿足輕質航天器的精確動力學建模需求，其原因是無法精確描述柔性構件的大變形。將能夠精確描述柔性構件大變形的絕對節(jié)點坐標法（ANCF）以及描述剛體體的自然坐標法（NCF）結合起來，可以形成研究剛-柔耦合多體系統(tǒng)動力學的絕對坐標（ACB）方法，該方法可以滿足輕質航天器的高精度建模需求。空間柔性機械臂的制造多采用柔性關節(jié)和柔性臂桿，這兩方面柔性因素，將不同程度地引起機械臂的振動問題。同時，機械臂在執(zhí)行任務之前，軌跡規(guī)劃都是必須的。如果能將機械臂軌跡規(guī)劃研究和振動抑制研究有效地結合起來，將具有十分重要的意義，稱之為柔性機械臂軌跡規(guī)劃振動抑制研究。 本文以絕對坐標方法作為柔性機械臂動力學建模的基礎，以柔性機械臂的軌跡規(guī)劃、振動抑制以及控制作為導向，主要做了如下工作： 1)提出了在自然坐標法剛體單元上施加軸向扭矩的簡潔公式，該公式可直接應用于基于自然坐標法建模的機械臂關節(jié)上施加驅動力矩；對自然坐標法逆動力學進行了分析，闡述了單元固有約束、單元之間約束副等的物理意義，提出了通過旋轉副連接的自然坐標法剛體單元之間產(chǎn)生相對運動所需驅動力矩的計算方法，該公式可直接應用于機械臂逆運動學中計算驅動力矩。 2)基于連續(xù)介質力學理論和有限元方法，并運用矩陣分析理論，詳細推導了絕對節(jié)點坐標法三維二節(jié)點梁單元的彈性力及其雅可比矩陣，該推導思路可拓展到其它絕對節(jié)點坐標法單元的推導。 3)基于實驗室自行開發(fā)研制的航天結構剛度測試設備，對一定數(shù)量的機械臂柔性關節(jié)的扭轉剛度進行測試，并對測試數(shù)據(jù)進行了擬合，通過數(shù)據(jù)擬合結果，提煉出三種典型的柔性關節(jié)剛度模型，分別為：線性剛度模型、非線性剛度模型以及含間隙的非線性剛度模型。 4)針對機械臂關節(jié)空間“點到點”、“靜止到靜止”的運動，提出了基于傅里葉余弦級數(shù)的軌跡規(guī)劃函數(shù)，該規(guī)劃函數(shù)具有一個冗余系數(shù)可供設計，通過設計該系數(shù)，可以非常有效地抑制柔性關節(jié)機械臂的殘余振動；在此基礎上，引入粒子群優(yōu)化算法來優(yōu)化該系數(shù)，可以更加有效地抑制柔性關節(jié)機械臂的殘余振動。 5)對冗余自由度機械臂的正運動學和逆運動學進行了分析，并著重討論了逆運動學的算法，以平面三連桿機械臂為例，驗證了本文中逆運動學算法的正確性以及高精度性；利用機械臂的冗余自由度，結合粒子群優(yōu)化算法，通過優(yōu)化機械臂的自運動，可以保證機械臂末端沿設計軌跡運動的同時，最小化機械臂末端的殘余振動。 6)對某空間七自由度機械臂的正運動學和逆運動學進行了詳細推導，包括齊次變換矩陣以及雅可比矩陣等，分析了機械臂末端執(zhí)行器的兩種典型運動：直線運動和圓弧運動，并具體給出了末端軌跡規(guī)劃方法，通過算例驗證了該規(guī)劃方法的有效性，計算得到的關節(jié)軌跡、速度以及加速度都非常光滑連續(xù)。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP241;V414
【目錄】：

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本文編號：105246