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

發(fā)布時(shí)間:2016-08-30 10:55

  本文關(guān)鍵詞:空間柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模、軌跡規(guī)劃與振動(dòng)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(dòng)力學(xué)建模、軌跡規(guī)劃與振動(dòng)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(lái)的空間任務(wù)越來(lái)越多,例如空間站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)、航天員艙外運(yùn)動(dòng)等,這些空間任務(wù)都需要空間機(jī)械臂來(lái)完成?臻g機(jī)械臂是我國(guó)載人航天三期工程的重大關(guān)鍵技術(shù)之一,是深入開(kāi)展載人航天活動(dòng)必不可少的工具,是支持空間站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵設(shè)備,也是空間站四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)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(guó)的高度重視,應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。 空間柔性機(jī)械臂本質(zhì)上屬于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的范疇,而柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究也一直是該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一;谛∽冃巍⑿∞D(zhuǎn)動(dòng)假設(shè)的柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué),已經(jīng)無(wú)法滿足輕質(zhì)航天器的精確動(dòng)力學(xué)建模需求,其原因是無(wú)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(duì)節(jié)點(diǎn)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(lái),可以形成研究剛-柔耦合多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的絕對(duì)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?臻g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(dòng)問(wèn)題。同時(shí),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(dòng)抑制研究有效地結(jié)合起來(lái),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(dòng)抑制研究。 本文以絕對(duì)坐標(biāo)方法作為柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模的基礎(chǔ),以柔性機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃、振動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)力矩;對(duì)自然坐標(biāo)法逆動(dòng)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(guò)旋轉(zhuǎn)副連接的自然坐標(biāo)法剛體單元之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算方法,該公式可直接應(yīng)用于機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)中計(jì)算驅(qū)動(dòng)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(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法三維二節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧膹椥粤捌溲趴杀染仃嚕撏茖?dǎo)思路可拓展到其它絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法單元的推導(dǎo)。 3)基于實(shí)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)研制的航天結(jié)構(gòu)剛度測(cè)試設(shè)備,對(duì)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(cè)試,并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,通過(guò)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(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間“點(diǎn)到點(diǎn)”、“靜止到靜止”的運(yùn)動(dòng),提出了基于傅里葉余弦級(jí)數(shù)的軌跡規(guī)劃函數(shù),該規(guī)劃函數(shù)具有一個(gè)冗余系數(shù)可供設(shè)計(jì),通過(guò)設(shè)計(jì)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(dòng);在此基礎(chǔ)上,引入粒子群優(yōu)化算法來(lái)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(dòng)。 5)對(duì)冗余自由度機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析,并著重討論了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的算法,以平面三連桿機(jī)械臂為例,驗(yàn)證了本文中逆運(yùn)動(dòng)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(guò)優(yōu)化機(jī)械臂的自運(yùn)動(dòng),可以保證機(jī)械臂末端沿設(shè)計(jì)軌跡運(yùn)動(dòng)的同時(shí),最小化機(jī)械臂末端的殘余振動(dòng)。 6)對(duì)某空間七自由度機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)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(dòng):直線運(yùn)動(dòng)和圓弧運(yùn)動(dòng),并具體給出了末端軌跡規(guī)劃方法,通過(guò)算例驗(yàn)證了該規(guī)劃方法的有效性,計(jì)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(jí)別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2014
【分類號(hào)】:TP241;V414
【目錄】:

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【參考文獻(xiàn)】

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9 李光,Amir Khajepour;基于滑模技術(shù)的單桿柔性機(jī)械臂的調(diào)節(jié)控制[J];株洲工學(xué)院學(xué)報(bào);2003年02期

10 邱志成,謝存禧,張洪華,吳宏鑫;壓電柔性機(jī)械臂的主動(dòng)振動(dòng)控制研究[J];機(jī)器人;2004年01期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 蔡國(guó)平;;柔性機(jī)械臂主動(dòng)控制中的時(shí)滯問(wèn)題[A];中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)'2005論文摘要集(下)[C];2005年

2 滕悠優(yōu);蔡國(guó)平;;柔性機(jī)械臂的非線性主動(dòng)控制[A];第十一屆全國(guó)非線性振動(dòng)學(xué)術(shù)會(huì)議暨第八屆全國(guó)非線性動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2007年

3 杜欣;蔡國(guó)平;;雙連桿柔性機(jī)械臂的主動(dòng)控制研究[A];第八屆全國(guó)動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2008年

4 王國(guó)利;;柔性機(jī)械臂內(nèi)動(dòng)力學(xué)因果與反因果的對(duì)分研究[A];面向21世紀(jì)的科技進(jìn)步與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展(上冊(cè))[C];1999年

5 郎英彤;鄒建奇;張憲濱;錢坤;;柔性機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中各種算法的研究現(xiàn)狀[A];第20屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(第Ⅰ冊(cè))[C];2011年

6 劉明;朱紹文;黃徽;;建立二級(jí)柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型的研究[A];1996年中國(guó)智能自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下冊(cè))[C];1996年

7 王國(guó)利;郭雪梅;張憲民;;柔性機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃模板函數(shù)的比較研究[A];1998年中國(guó)智能自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(下冊(cè))[C];1998年

8 張鐵民;劉又午;王樹(shù)新;閻紹澤;蔣鐵英;;柔性機(jī)械臂的振動(dòng)控制——前饋延時(shí)[A];1996中國(guó)控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];1996年

9 李迅;劉新建;馬宏緒;張彭;;單柔性機(jī)械臂變結(jié)構(gòu)控制[A];1997中國(guó)控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];1997年

10 王樹(shù)新;張冬梅;金國(guó)光;劉又午;;視覺(jué)控制柔性機(jī)械臂的廣義確定性動(dòng)力學(xué)模型[A];面向21世紀(jì)的生產(chǎn)工程——2001年“面向21世紀(jì)的生產(chǎn)工程”學(xué)術(shù)會(huì)議暨企業(yè)生產(chǎn)工程與產(chǎn)品創(chuàng)新專題研討會(huì)論文集[C];2001年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前9條

1 屠立;柔性機(jī)械臂集成建模與結(jié)構(gòu)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[D];浙江大學(xué);2009年

2 張慶;組合柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)特性與振動(dòng)抑制性能的研究[D];南京理工大學(xué);2010年

3 褚明;空間柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性與主動(dòng)控制研究[D];北京郵電大學(xué);2010年

4 徐彥;液壓柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模與控制研究[D];東北大學(xué);2008年

5 張曉東;空間柔性機(jī)械臂控制策略研究[D];北京郵電大學(xué);2009年

6 陳思佳;剛—柔耦合問(wèn)題與空間多桿柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)建模理論研究[D];南京理工大學(xué);2012年

7 李光;液壓柔性臂的動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)建模、軌跡規(guī)劃與振動(dòng)抑制研究[D];北京理工大學(xué);2014年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 劉治虎;柔性機(jī)械臂動(dòng)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(dòng)控制[D];南京航空航天大學(xué);2004年

3 張國(guó)慶;雙柔性機(jī)械臂動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)控制及實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)建模、軌跡規(guī)劃與振動(dòng)抑制研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。



本文編號(hào):105246

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