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挠性空间机械臂刚柔耦合动力学与控制研究

作　者: 毛志刚
导　师: 徐文福
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 挠性空间机械臂刚柔耦合轨迹规划振动抑制
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着航天事业的迅速发展和对太空探索的不断深入，空间机械臂将成为人类探索未来空间活动的重要工具。由于要求工作空间尽可能大且质量轻，大多数空间机械臂的挠性不可忽略。在轨执行任务过程中，不适当的运动会引起挠性机械臂的振动，导致任务的失败。本课题即以挠性空间机械臂为对象，对其刚柔耦合动力学与振动抑制控制策略进行研究，具体内容包括：基于解析法建立了挠性空间机械臂的刚柔耦合动力学模型，作为轨迹规划与控制方法研究的基础。空间机械臂由多个连杆及关节组成，针对不同的使用条件，各杆件所呈现的挠性特征不一样。基于此，运用拉格朗日方法分别建立了刚性双连杆、刚—柔性双杆及柔性双连杆机械臂的动力学模型，其中柔性杆件的变形描述采用了假设模态法。利用Ansys软件对挠性空间机械臂进行模态分析，并在Adams环境中建立其刚柔耦合动力学模型，将其模型与解析法所建模型进行校验。针对典型臂型及不同载荷下，分析了挠性机械臂的模态，得出了其固有频率与载荷的关系。然后基于Adams软件建立了机械臂的刚柔耦合动力学模型，对所建的解析模型进行校验，验证了解析模型的正确性。研究了振动抑制的运动规划方法，并利用所建的刚柔耦合动力学模型进行了仿真验证。根据理论分析，关节运动加速度是产生振动的主要因素，因此以期望加速度为运动规划的目标。在规划中，以“正弦-梯形”函数为基函数，利用多个基函数的叠加，得出加速度的运动轨迹。所采用的“正弦-梯形”基函数加、减速段为正弦函数，通过调整加速、减速、匀速的时间比例，以及函数幅值，可得出不同的加速度曲线。提出一种前馈补偿与反馈控制相结合的振动抑制策略，并进行仿真研究。振动抑制方法包括被动控制和主动控制两大类，其中被动控制从抑制振源、增大结构阻尼等方面达到抑制目的，缺点是增大系统的重量和体积、且灵活性差，因此提出了采用前馈补偿与反馈控制相结合的主动控制方法，该方法的核心是将规划的期望轨迹(关节角、角速度及角加速度)代入解析法所建立的动力学模型，计算前馈力矩，与反馈控制力矩叠加后作为最终控制力矩，仿真结果验证了所提方法的正确性。本课题从挠性空间机械臂的刚柔耦合动力学建模、振动抑制的轨迹规划及控制等方面开展研究，所取得的成果对于空间机械臂的应用具有重要的理论和实际意义。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-19
  1.1 课题来源  11
  1.2 课题背景及研究的目的和意义  11-12
  1.3 发展概况  12-17
    1.3.1 国内外挠性空间机械臂的发展现状  12-14
    1.3.2 挠性空间机械臂建模理论与现状研究  14-16
    1.3.3 挠性空间机械臂的控制方法研究现状  16-17
  1.4 本文的主要研究内容  17-19
第2章基于解析法的挠性空间机械臂刚柔耦合动力学建模  19-39
  2.1 引言  19
  2.2 挠性空间机械臂动力学特性分析  19-20
  2.3 刚性双连杆机械臂的动力学建模研究  20-23
    2.3.1 刚性双连杆机械臂动力学方程  20-21
    2.3.2 刚性双连杆机械臂动力学数值仿真  21-23
  2.4 柔性双连杆机械臂的动力学建模研究  23-33
    2.4.1 柔性机械臂动力学建模方法  23-24
    2.4.2 柔性机械臂上任一点状态描述  24-25
    2.4.3 柔性双连杆机械臂动力学方程  25-31
    2.4.4 柔性双连杆机械臂动力学数值仿真  31-33
  2.5 刚柔双连杆机械臂的动力学建模研究  33-38
    2.5.1 刚柔双连杆机械臂动力学方程  33-37
    2.5.2 刚柔双连杆机械臂动力学数值仿真  37-38
  2.6 本章小结  38-39
第3章挠性空间机械臂的模态分析与动力学模型校验  39-51
  3.1 引言  39
  3.2 挠性空间机械臂的模态分析  39-44
    3.2.1 有限元方法介绍  39-40
    3.2.2 挠性空间机械臂有限元模型  40
    3.2.3 不同臂形下的挠性空间机械臂模态分析  40-42
    3.2.4 臂形相同负载不同的挠性臂模态分析  42-44
  3.3 基于ADAMS的挠性空间机械臂刚柔耦合动力学建模  44-49
    3.3.1 刚性双连杆机械臂动力学仿真分析  44-46
    3.3.2 柔性双连杆机械臂动力学仿真分析  46-47
    3.3.3 刚柔双连杆机械臂动力学仿真分析  47-49
  3.4 不同方法所建刚柔耦合动力学模型校验  49-50
  3.5 本章小结  50-51
第4章挠性空间机械臂的振动抑制规划研究  51-60
  4.1 引言  51
  4.2 运动规划概述  51-52
  4.3 轨迹规划方法  52-56
    4.3.1 常规轨迹规划方法  52-53
    4.3.2 振动抑制轨迹规划  53-56
  4.4 仿真验证  56-59
    4.4.1 常规三次多项式规划  57
    4.4.2 采用振动抑制方法的情况  57-59
  4.5 本章小结  59-60
第5章挠性空间机械臂振动抑制控制方法研究  60-68
  5.1 引言  60
  5.2 抑制振动的被动控制方法  60-62
    5.2.1 抑制振源  60-61
    5.2.2 减振技术  61-62
    5.2.3 隔振技术  62
  5.3 基于前馈补偿的主动控制方法  62-64
    5.3.1 PID闭环控制理论  62-63
    5.3.2 基于前馈补偿的主动振动控制方法  63-64
  5.4 仿真研究  64-67
    5.4.1 常规PID控制  65-66
    5.4.2 基于前馈补偿的振动抑制  66-67
  5.5 本章小结  67-68
结论  68-70
参考文献  70-74
致谢  74

挠性空间机械臂刚柔耦合动力学与控制研究

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