本文關(guān)鍵詞：兩自由度鏈狀多體動力學(xué)建模及振動抑制研究

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【摘要】：隨著航天科技的高速發(fā)展,空間探測的活動不斷深入,空間站作為其中集成化程度最高的大型航天器,對空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的貢獻�？臻g站在組建、維護及航天員出艙等階段均需要由大型空間機械臂協(xié)助完成,現(xiàn)代空間操作往往要求空間機械臂具有響應(yīng)迅速快及操作范圍大等特點。撓性附件能夠很好的滿足這些要求,在顯著提高執(zhí)行空間操作任務(wù)的效率的同時,可以降低所需運載火箭的發(fā)射成本。但柔性空間機械臂因其質(zhì)輕、低剛度等特點,在進行空間操作過程中會激起明顯的低頻振動。此類振動不僅造成機械臂末端執(zhí)行器無法精確定位,同時系統(tǒng)處在微重力、低阻尼環(huán)境下,機械臂的振動會引起與之相聯(lián)的航天器振動。本文以空間站雙柔性桿空間機械臂為研究對象,主要展開漂浮基空間機械臂運動學(xué)、空間站轉(zhuǎn)位動力學(xué)特性分析及柔性空間機械臂主動振動抑制方法研究。柔性空間機械臂屬于典型的空間折展機構(gòu),其在進行空間操作之初需要從折疊狀態(tài)展開至指定位置�？臻g站處于漂浮基狀態(tài),核心艙姿態(tài)和位置均不受控,機械臂的運動造成核心艙姿態(tài)的變化。本文以應(yīng)用遺傳算法對機械臂關(guān)節(jié)角軌跡進行了優(yōu)化,以核心艙姿態(tài)歐拉角合成函數(shù)為目標函數(shù),實現(xiàn)在全空間內(nèi)尋找關(guān)節(jié)角軌跡函數(shù)最優(yōu)值,實現(xiàn)空間機械臂展開過程基座姿態(tài)保持不變。柔性空間機械臂轉(zhuǎn)位系統(tǒng)包括柔性臂桿及與之相連的大質(zhì)量、大轉(zhuǎn)動慣量剛體,屬于多體動力學(xué)領(lǐng)域鏈狀四體系統(tǒng)。本文應(yīng)用Newton-Euler法建立了系統(tǒng)轉(zhuǎn)動方程,應(yīng)用Lagrange法建立了柔性體的振動方程。系統(tǒng)地分析了鏈狀四體系統(tǒng)的動力學(xué)特性及柔性體振動特性,開發(fā)了基于MATLAB編程語言的動力學(xué)計算程序及模態(tài)分析程序,并分別與ADAMS、ANSYS軟件中所建立的仿真模型進行了對比校驗,驗證了理論模型的正確性。根據(jù)模態(tài)分析所求的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)的振動頻率及阻尼,應(yīng)用分力合成主動振動抑制方法,對機械臂關(guān)節(jié)控制力矩進行了設(shè)計,實現(xiàn)抑制振動的同時完成指定關(guān)節(jié)運動。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時變所引起振動頻率變化的情況及前饋控制方法對參數(shù)變化十分敏感,本文采用PD線性反饋解耦與分力合成前饋控制方法相結(jié)合的復(fù)合控制方法,實現(xiàn)了對關(guān)節(jié)角位移的軌跡跟蹤并降低了柔性空間機械臂末端彈性變形、關(guān)節(jié)角位移和核心艙的姿態(tài)角的擾動,實現(xiàn)了柔性空間機械臂的精細操作,通過數(shù)值仿真驗證了方法的可行性和有效性。
【關(guān)鍵詞】：柔性空間機械臂 動力學(xué)建模 分力合成 振動抑制
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V414;TP241
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-17
• 1.1 課題來源9
• 1.2 課題研究背景及意義9-10
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-16
• 1.3.1 國內(nèi)外空間機械臂的研究現(xiàn)狀10-13
• 1.3.2 國內(nèi)外空間機械臂運動軌跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀13
• 1.3.3 國內(nèi)外空間機械臂動力學(xué)建模研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3.4 國內(nèi)外空間機械臂主動振動抑制研究現(xiàn)狀14-16
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容16-17
• 第2章 漂浮基空間機械臂運動學(xué)及無擾動路徑規(guī)劃17-28
• 2.1 引言17
• 2.2 漂浮基空間機械臂運動學(xué)分析17-22
• 2.2.1 理論模型及符號定義17-19
• 2.2.2 廣義雅克比矩陣19-22
• 2.3 基座姿態(tài)無擾關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃22-27
• 2.3.1 遺傳算法簡介22
• 2.3.2 基于遺傳算法最小擾動路徑規(guī)劃22-27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 第3章 鏈式空間站轉(zhuǎn)位多體動力學(xué)28-44
• 3.1 引言28
• 3.2 空間機械臂轉(zhuǎn)位系統(tǒng)模型及有限元劃分28-35
• 3.2.1 理論模型及符號定義29-31
• 3.2.2 柔性臂桿彈性變形描述31-32
• 3.2.3 由兩彈性直梁獲得折線梁模型32-35
• 3.3 考慮臂桿柔性剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動力學(xué)35-41
• 3.3.1 任意質(zhì)點速度和加速度35-37
• 3.3.2 系統(tǒng)瞬時質(zhì)心方程及改造加速度表達式37-38
• 3.3.3 系統(tǒng)平移和轉(zhuǎn)動方程38-40
• 3.3.4 系統(tǒng)振動方程40-41
• 3.4 動力學(xué)方程式中相對角速度的引入41-43
• 3.5 本章小結(jié)43-44
• 第4章 動力學(xué)方程降維及模型驗證44-61
• 4.1 引言44
• 4.2 非約束模態(tài)法簡化動力學(xué)方程44-47
• 4.3 空間機械臂轉(zhuǎn)位動力學(xué)數(shù)值仿真47-53
• 4.3.1 柔性空間機械臂動力學(xué)分析47-51
• 4.3.2 柔性空間機械臂模態(tài)分析51-53
• 4.4 基于ANSYS柔性空間機械臂模態(tài)分析53-57
• 4.4.1 雙連桿柔性機械臂不同工況模態(tài)分析53-57
• 4.5 基于ADAMS柔性空間機械臂剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)建模57-59
• 4.5.1 雙連桿柔性機械臂剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型57-59
• 4.6 本章小結(jié)59-61
• 第5章 空間柔性機械臂轉(zhuǎn)位過程振動抑制研究61-79
• 5.1 引言61
• 5.2 空間站轉(zhuǎn)位過程描述61-62
• 5.3 分力合成主動振動抑制方法62-66
• 5.3.1 分力合成方法的基本原理62-64
• 5.3.2 分力合成方法同時抑制多個模態(tài)的原則64-65
• 5.3.3 分力合成法對頻率的魯棒性65-66
• 5.4 分力合成控制力矩設(shè)計及仿真66-72
• 5.5 PD反饋解耦與分力合成復(fù)合控制72-78
• 5.5.1 PD反饋解耦控制73-74
• 5.5.2 基于分力合成復(fù)合控制方法74-78
• 5.6 本章小結(jié)78-79
• 結(jié)論79-80
• 參考文獻80-86
• 致謝86-87
• 附錄A87-91

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