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空间柔性机械臂的动力学分析

作　者: 寇伟
导　师: 田浩
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 人机与环境工程
关键词: 柔性机械臂有限段凯恩方法动力学模型铰间间隙
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

随着航天科技发展与空间机器人技术的成熟,空间机械臂在空间探索和开发中发挥着越来越大的作用。为保证机械臂具有较大的操作空间和较小的有效载荷,多使用细长杆。由于柔性机械臂与载体之间的强耦合作用,需建立精确描述其动力学和运动学状态的模型,因此考虑臂杆柔性的动力学建模具有重要意义。在系统总结这一领域研究的基础上,本文对柔性机械臂的动力学建模进行了深入的研究,主要包括以下内容:首先,基于有限段方法描述柔性机械臂的变形,将臂杆离散为多个由弹簧和阻尼器连接的刚体段,应用多刚体动力学方法计算表征各段相对运动的变量。选取相对位移和相对速度为广义坐标和广义速度,建立模型的运动学方程及线位移的微分方程。其次,针对空间柔性机械臂动力学模型特点,引入有限元中的空间梁单元刚度矩阵计算段间变形力,以弹性力学分析方法代替以往的材料力学方法,推导各刚体段的等效主动力、等效主动力矩,进而投影于凯恩方程中,建立空间柔性机械臂的动力学模型。然后,应用MATLAB编制相应的动力学仿真算法,对柔性机械臂进行动力学仿真分析。针对单柔性杆机械臂,通过对不同分段数下动力学仿真结果进行比较分析,确定在满足精度要求下合理有效的分段数,进一步应用于双柔性机械臂的仿真计算中,进行动力学仿真并分析其动力学响应。最后,针对含铰间间隙双柔性机械臂,引入间隙碰撞力模型,并建立含间隙碰撞的柔性机械臂动力学方程,进行动力学仿真分析,初步研究间隙对柔性机械臂动力学特性的影响。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-19
  1.1 课题研究背景和意义  8-9
  1.2 空间机械臂国内外应用现状  9-11
  1.3 国内外相关领域研究概况  11-14
    1.3.1 多体系统动力学的研究现状  11-13
    1.3.2 空间柔性机械臂的研究现状  13-14
  1.4 多体系统动力学的建模方法  14-18
    1.4.1 多体系统离散化方法  14-16
    1.4.2 多体系统动力学建模理论  16-17
    1.4.3 多体系统动力学建模坐标系选择  17-18
  1.5 本文的主要内容  18-19
第2章空间柔性机械臂有限段模型  19-30
  2.1 空间柔性机械臂的有限段离散化  19-21
  2.2 相邻刚体段广义欧拉角的描述  21-22
  2.3 相邻刚体段的角速度描述  22-23
  2.4 变换矩阵  23-24
  2.5 模型的运动学分析  24-29
  2.6 本章小结  29-30
第3章空间柔性机械臂动力学模型  30-48
  3.1 凯恩动力学建模方法概述  30-35
    3.1.1 质点系的凯恩动力学方程  30-31
    3.1.2 单个有限段刚体的凯恩动力学方程  31-35
  3.2 空间柔性机械臂的凯恩动力学模型  35-43
    3.2.1 段间变形力  36-39
    3.2.2 等效主动力和力矩  39-42
    3.2.3 动力学方程  42-43
  3.3 含间隙空间机械臂动力学建模  43-47
    3.3.1 铰间间隙的描述  43-44
    3.3.2 碰撞力模型  44-45
    3.3.3 自由—接触切换点的预测与识别  45-46
    3.3.4 含间隙空间机械臂动力学方程  46-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章空间柔性机械臂动力学仿真分析  48-65
  4.1 动力学仿真算法  48-50
  4.2 单柔性机械臂动力学仿真分析  50-58
  4.3 双柔性机械臂动力学仿真分析  58-60
  4.4 含间隙的空间机械臂动力学仿真  60-64
  4.5 本章小结  64-65
结论  65-67
参考文献  67-71
攻读学位期间发表的学术论文  71-73
致谢  73

空间柔性机械臂的动力学分析

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