本文關(guān)鍵詞：空間柔性機(jī)械臂動力學(xué)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(xué)》 2014年

空間柔性機(jī)械臂動力學(xué)建模、軌跡規(guī)劃與振動抑制研究

楊永泰  

【摘要】：隨著21世紀(jì)航天事業(yè)的迅速發(fā)展以及航天應(yīng)用需求的日益增加，未來的空間任務(wù)越來越多，例如空間站的建設(shè)和運(yùn)營、航天員艙外運(yùn)動等，這些空間任務(wù)都需要空間機(jī)械臂來完成�？臻g機(jī)械臂是我國載人航天三期工程的重大關(guān)鍵技術(shù)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(shè)和運(yùn)營的關(guān)鍵設(shè)備，也是空間站四個關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目之一。在空間應(yīng)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(zhì)量、高載重/自重比、低能耗、操作靈活以及響應(yīng)快速的多自由度柔性機(jī)械臂得到了世界各航天強(qiáng)國的高度重視，應(yīng)用也越來越廣泛。 空間柔性機(jī)械臂本質(zhì)上屬于多體系統(tǒng)動力學(xué)的范疇，而柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究也一直是該研究領(lǐng)域的熱點和難點之一�；谛∽冃巍⑿∞D(zhuǎn)動假設(shè)的柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)，已經(jīng)無法滿足輕質(zhì)航天器的精確動力學(xué)建模需求，其原因是無法精確描述柔性構(gòu)件的大變形。將能夠精確描述柔性構(gòu)件大變形的絕對節(jié)點坐標(biāo)法（ANCF）以及描述剛體體的自然坐標(biāo)法（NCF）結(jié)合起來，可以形成研究剛-柔耦合多體系統(tǒng)動力學(xué)的絕對坐標(biāo)（ACB）方法，該方法可以滿足輕質(zhì)航天器的高精度建模需求。空間柔性機(jī)械臂的制造多采用柔性關(guān)節(jié)和柔性臂桿，這兩方面柔性因素，將不同程度地引起機(jī)械臂的振動問題。同時，機(jī)械臂在執(zhí)行任務(wù)之前，軌跡規(guī)劃都是必須的。如果能將機(jī)械臂軌跡規(guī)劃研究和振動抑制研究有效地結(jié)合起來，將具有十分重要的意義，稱之為柔性機(jī)械臂軌跡規(guī)劃振動抑制研究。 本文以絕對坐標(biāo)方法作為柔性機(jī)械臂動力學(xué)建模的基礎(chǔ)，以柔性機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃、振動抑制以及控制作為導(dǎo)向，主要做了如下工作： 1)提出了在自然坐標(biāo)法剛體單元上施加軸向扭矩的簡潔公式，該公式可直接應(yīng)用于基于自然坐標(biāo)法建模的機(jī)械臂關(guān)節(jié)上施加驅(qū)動力矩；對自然坐標(biāo)法逆動力學(xué)進(jìn)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(zhuǎn)副連接的自然坐標(biāo)法剛體單元之間產(chǎn)生相對運(yùn)動所需驅(qū)動力矩的計算方法，該公式可直接應(yīng)用于機(jī)械臂逆運(yùn)動學(xué)中計算驅(qū)動力矩。 2)基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論和有限元方法，并運(yùn)用矩陣分析理論，詳細(xì)推導(dǎo)了絕對節(jié)點坐標(biāo)法三維二節(jié)點梁單元的彈性力及其雅可比矩陣，該推導(dǎo)思路可拓展到其它絕對節(jié)點坐標(biāo)法單元的推導(dǎo)。 3)基于實驗室自行開發(fā)研制的航天結(jié)構(gòu)剛度測試設(shè)備，對一定數(shù)量的機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行測試，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，通過數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，提煉出三種典型的柔性關(guān)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(jī)械臂關(guān)節(jié)空間“點到點”、“靜止到靜止”的運(yùn)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(shè)計，通過設(shè)計該系數(shù)，可以非常有效地抑制柔性關(guān)節(jié)機(jī)械臂的殘余振動；在此基礎(chǔ)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(guān)節(jié)機(jī)械臂的殘余振動。 5)對冗余自由度機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了分析，并著重討論了逆運(yùn)動學(xué)的算法，以平面三連桿機(jī)械臂為例，驗證了本文中逆運(yùn)動學(xué)算法的正確性以及高精度性；利用機(jī)械臂的冗余自由度，結(jié)合粒子群優(yōu)化算法，通過優(yōu)化機(jī)械臂的自運(yùn)動，可以保證機(jī)械臂末端沿設(shè)計軌跡運(yùn)動的同時，最小化機(jī)械臂末端的殘余振動。 6)對某空間七自由度機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)，包括齊次變換矩陣以及雅可比矩陣等，分析了機(jī)械臂末端執(zhí)行器的兩種典型運(yùn)動：直線運(yùn)動和圓弧運(yùn)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(guān)節(jié)軌跡、速度以及加速度都非常光滑連續(xù)。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP241;V414
【目錄】：

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7 李光;液壓柔性臂的動力學(xué)及控制研究[D];中南大學(xué);2003年

8 潘冬;空間柔性機(jī)械臂動力學(xué)建模分析及在軌抓捕控制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2014年

9 楊永泰;空間柔性機(jī)械臂動力學(xué)建模、軌跡規(guī)劃與振動抑制研究[D];北京理工大學(xué);2014年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉治虎;柔性機(jī)械臂動響應(yīng)控制[D];西安電子科技大學(xué);2009年

2 汪性武;柔性機(jī)械臂的振動控制[D];南京航空航天大學(xué);2004年

3 張國慶;雙柔性機(jī)械臂動力學(xué)研究[D];吉林建筑工程學(xué)院;2010年

4 李興修;柔性機(jī)械臂的振動控制研究[D];東北大學(xué);2010年

5 姜丹;外空間環(huán)境中的柔性機(jī)械臂的非線性振動研究[D];東北大學(xué);2010年

6 姚威;空間大負(fù)載柔性機(jī)械臂軌跡跟蹤策略研究[D];北京郵電大學(xué);2013年

7 洪蕓蕓;壓電柔性機(jī)械臂振動控制及實驗研究[D];華東交通大學(xué);2013年

8 于慧;復(fù)雜構(gòu)形柔性機(jī)械臂多維振動特性分析[D];山東大學(xué);2014年

9 郭秉華;六自由度空間柔性機(jī)械臂的動力學(xué)分析與控制[D];北京郵電大學(xué);2009年

10 杜欣;雙連桿柔性機(jī)械臂的主動控制研究[D];上海交通大學(xué);2009年

  本文關(guān)鍵詞：空間柔性機(jī)械臂動力學(xué)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。

本文編號：105246