人類對太空探索的不斷深入使得空間任務越來越多,而太空環(huán)境的特殊性和危險性使得很多任務不能完全依靠宇航員完成�？臻g柔性機械臂具有適應太空惡劣作業(yè)環(huán)境的能力,采用機械臂協(xié)助或代替宇航員完成一些太空作業(yè)在經(jīng)濟性和安全性兩方面都具有現(xiàn)實意義,已成為當前空間技術領域的重要研究方向。本論文在教育部科學技術研究重大項目“空間柔性機器人動力學／控制耦合系統(tǒng)的研究”(課題編號：307005)的資助下,以空間柔性機械臂為研究對象,對其動力學特性和相關的主動控制策略展開了深入的分析和研究,本文的主要工作如下： 首先,提出空間機械臂的剛／柔／控耦合模態(tài)分析概念,借助反饋約束原理求得柔性臂在動約束狀態(tài)下的復雜邊界條件,并將關節(jié)控制器參數(shù)引入臂桿在離散平衡位置附近的振動動力方程,分別建立了頻域空間和狀態(tài)空間內模態(tài)求解的解析方法；針對機械臂的大范圍運動影響臂桿自身的彈性振動模態(tài)問題,重點研究柔性臂動力學方程中切向慣性力項的影響,得到剛／柔耦合運動條件下臂桿的振動模態(tài)參數(shù)；特別地,研究了多活動部件柔體系統(tǒng)的有限元分析方法,并求解某型多自由度空間柔性機械臂的模態(tài)特性。 其次,從虛功的角度出發(fā),采用哈密頓變分原理對含約束阻尼非保守力的柔性機械臂系統(tǒng)進行剛／柔／控耦合動力學建模；基于系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型設計一種適用于開、閉環(huán)條件的穩(wěn)定數(shù)值PIM法,同時進行大量的數(shù)值實驗以驗證積分算法的有效性；對控制器反饋約束作用下系統(tǒng)的動力學響應進行數(shù)值求解并與KED法進行對比分析,得到不用于經(jīng)典振動理論的結論。 再次,對機械臂柔性關節(jié)的動態(tài)不確定模型進行了建模分析,并提出一種同時補償柔性、非連續(xù)摩擦、系統(tǒng)不確定性和外部干擾抑制的小波神經(jīng)-魯棒復合控制策略。全局采用Lyapunov函數(shù)的Backstepping方法設計具有柔性補償和L2干擾抑制性能的控制器,同時,針對常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡無法辨識非連續(xù)性函數(shù)的問題,提出在局部采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡對摩擦和不確定項進行補償。設計的控制策略不僅避免了單一反演魯棒設計中復雜的求導運算,而且無須檢測關節(jié)角加速度、辨識摩擦和估計不確定上界。 再其次,基于微分幾何輸入-輸出線性化方法將雙連桿柔性機械臂在新坐標系下分解為輸入-輸出子系統(tǒng)和內部子系統(tǒng),導出零動力學規(guī)范化方程,并討論系統(tǒng)觀測輸出位置的選擇和零動力學穩(wěn)定性之間的關系；建立柔性機械臂的全局快速收斂終端滑�？刂撇呗�,解決非最小相位系統(tǒng)的魯棒控制問題,實現(xiàn)僅依靠關節(jié)處的驅動電機完成關節(jié)定位和臂桿殘余振動的抑制。 最后,對空間柔性機械臂的相關動力學特性和控制策略進行實驗研究,搭建空間柔性機械臂地面氣浮式微重力模擬綜合實驗平臺,設計并完成柔性關節(jié)的位置跟蹤與測試、柔性機械臂的試驗模態(tài)分析、柔性臂殘余振動的主動控制等典型實驗。
【學位單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2010
【中圖分類】：TH113
【部分圖文】：

外面裹以凱夫纖維(質地牢固重量輕的合成纖維)，起到緩沖保護作用。(a)“Canada一l”實物圖圖1-必)“Canada一1”協(xié)助航天員操作“Canada一1，，空間機械臂“Canada一2”機械臂用于國際空間站上的移動服務系統(tǒng)MMS，安裝在站上析架的基座裝置上，并可沿該精架移動。其最初設計的目的為:在航天飛機不能自行與空間站對接時依靠機械臂將航天飛機拉到空間站旁(1984年里根提出)。其相關參數(shù)為:長度17.6m，質量936kg，負荷時移動速度6mm/s，空載時的移動速度600mm/s，移動到距目標點的精度范圍6.4mm

墾?宦畚目占淙嶁曰?當鄣畝?ρ?匭雜脛鞫?刂蒲芯?為此，歐空局以法俄兩國為主要力量又設計了一個“ EuroPeanRoboticAim”(ERA)空間柔性機械臂系統(tǒng)再安裝到空間站上(如圖1一3)。ERA伸展時的總長度為11米，在被安裝到國際空間站上后，它將能夠搬運最重達8噸的物資并可對空間站的外表面進行監(jiān)測。此外，ERA上還裝備有攝像機，可以準確地將執(zhí)行太空行走任務的宇航員送往指定區(qū)域。\東一…h(huán)a圖l一3歐空局ERA機械臂實驗平臺圖1一4日本實驗艙遙操作臂系統(tǒng)日本安裝于國際空間站上的實驗艙(圖1一4)由大型客車大小的圓筒形后勤儲藏室(長11.2m，寬4.4m，重15.2t)、實驗室(3.9mx4.4m，重4.2t)和兩個長度分別為10m和1.9m的空間機械臂以及艙外實驗平臺儼mxs.6mxsm

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【引證文獻】

相關期刊論文 前1條

1 王江勇;王基生;張俊俊;劉自紅;劉罡;;單自由度柔性機械臂剛柔耦合動力學仿真研究[J];機械設計與制造;2012年12期

相關碩士學位論文 前1條

1 楊康華;柔性機械臂的振動控制與實驗研究[D];北京郵電大學;2011年

本文編號：2850155