發(fā)布時間：2016-08-04 17:15

  本文關鍵詞：空間柔性機械臂動力學建模分析及在軌抓捕控制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《哈爾濱工業(yè)大學》 2014年

空間柔性機械臂動力學建模分析及在軌抓捕控制

潘冬  

【摘要】：隨著空間探索與開發(fā)的深入，未來的航天器將向著大型化、復雜化、高精度、長壽命的方向發(fā)展，空間機械臂的在軌應用將愈加廣泛且重要。空間機械臂工作半徑大、結(jié)構剛度低、負載質(zhì)量變化范圍廣，臂桿及關節(jié)柔性特征明顯，動力學特性呈現(xiàn)復雜的非線性，本文針對空間柔性機械臂系統(tǒng)的動力學建模、動態(tài)特性分析以及在軌抓捕目標控制等關鍵問題進行深入研究，為空間機械臂的機構設計、在軌應用奠定理論基礎。 空間機械臂系統(tǒng)是典型的鏈式無根多體系統(tǒng)，由于臂桿柔性影響，在進行大范圍剛性運動的同時伴隨著小幅的柔性振動，呈現(xiàn)明顯的剛?cè)狁詈咸匦�，本文基于遞推算法建立了高效的空間剛性機械臂動力學模型，給出了動力學模型中慣量陣、雅克比矩陣等的遞推形式表達式，可用于機械臂控制系統(tǒng)中。進一步基于拉格朗日分析方法和模態(tài)綜合法建立了空間柔性機械臂動力學模型，可完成空間漂浮基柔體機械臂系統(tǒng)的動力學分析與計算。最終通過與商用軟件對比驗證了模型的正確性和高效性。 空間柔性機械臂系統(tǒng)動態(tài)特性分析，還需考慮關節(jié)柔性影響，由關節(jié)嚙合剛度、間隙、摩擦等引入的非線性，是影響機械臂系統(tǒng)運動精度和平穩(wěn)性的主要因素，建立精確的柔性關節(jié)動力學模型，是機械臂系統(tǒng)設計、特性分析和控制器設計調(diào)試的基礎。本文提出了可綜合考慮非線性剛度、間隙、摩擦等因素的關節(jié)動力學建模方法，建立了關節(jié)非線性動力學模型，并分析了間隙、摩擦、剛度等非線性因素對關節(jié)動力學特性的影響規(guī)律，進一步綜合考慮分析了關節(jié)柔性和臂桿柔性對機械臂末端動力學響應的影響。 對目標載荷的成功抓捕是完成在軌服務的關鍵，針對具有大容差、軟捕獲特性的繩索式末端執(zhí)行器，應用有限段離散化方法完成了柔性繩索動力學建模，分析了繩索離散化模型的參數(shù)選取原則，，進一步引入繩索與目標間的非線性接觸碰撞力和摩擦力模型，建立了末端執(zhí)行器捕獲動力學模型。設計了末端捕獲沖擊實驗，驗證了模型的正確性。所建繩索捕獲動力學模型可充分考慮繩索的空間運動狀態(tài)以及捕獲過程中繩索與目標間的接觸碰撞過程，為繩索設計和捕獲策略調(diào)試提供基礎。 機械臂捕獲目標時，不可避免的與目標間發(fā)生碰撞沖擊，過大的沖擊力不僅使基體姿態(tài)產(chǎn)生偏差，還可能使目標逃逸導致抓捕失敗，針對機械臂抓捕目標過程，提出并實現(xiàn)了快速接近-慢速接觸-速度跟蹤（FA-SC-VT）末端捕獲策略，并以建立的末端捕獲動力學模型為基礎進行捕獲過程仿真分析，結(jié)果表明FA-SC-VT捕獲策略與傳統(tǒng)勻速捕獲策略相比，可大幅減小機械臂末端產(chǎn)生的沖擊力，并可有效的解決小質(zhì)量目標捕獲過程中的逃逸問題。進一步結(jié)合FA-SC-VT捕獲策略設計了機械臂的關節(jié)阻尼控制器和阻抗控制器分別完成對合作目標和非合作目標的柔順抓捕控制，相對于位置保持硬抓取，阻抗控制軟抓取可有效減小末端與目標間的碰撞沖擊力，減小對基體位姿的影響。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP241.3
【目錄】：

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