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  本文關(guān)鍵詞：空間柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模分析及在軌抓捕控制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》 2014年

空間柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模分析及在軌抓捕控制

潘冬  

【摘要】：隨著空間探索與開發(fā)的深入，未來的航天器將向著大型化、復(fù)雜化、高精度、長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展，空間機(jī)械臂的在軌應(yīng)用將愈加廣泛且重要�？臻g機(jī)械臂工作半徑大、結(jié)構(gòu)剛度低、負(fù)載質(zhì)量變化范圍廣，臂桿及關(guān)節(jié)柔性特征明顯，動(dòng)力學(xué)特性呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性，本文針對(duì)空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模、動(dòng)態(tài)特性分析以及在軌抓捕目標(biāo)控制等關(guān)鍵問題進(jìn)行深入研究，為空間機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、在軌應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。 空間機(jī)械臂系統(tǒng)是典型的鏈?zhǔn)綗o根多體系統(tǒng)，由于臂桿柔性影響，在進(jìn)行大范圍剛性運(yùn)動(dòng)的同時(shí)伴隨著小幅的柔性振動(dòng)，呈現(xiàn)明顯的剛?cè)狁詈咸匦裕疚幕谶f推算法建立了高效的空間剛性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型，給出了動(dòng)力學(xué)模型中慣量陣、雅克比矩陣等的遞推形式表達(dá)式，可用于機(jī)械臂控制系統(tǒng)中。進(jìn)一步基于拉格朗日分析方法和模態(tài)綜合法建立了空間柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型，可完成空間漂浮基柔體機(jī)械臂系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與計(jì)算。最終通過與商用軟件對(duì)比驗(yàn)證了模型的正確性和高效性。 空間柔性機(jī)械臂系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析，還需考慮關(guān)節(jié)柔性影響，由關(guān)節(jié)嚙合剛度、間隙、摩擦等引入的非線性，是影響機(jī)械臂系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性的主要因素，建立精確的柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型，是機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)、特性分析和控制器設(shè)計(jì)調(diào)試的基礎(chǔ)。本文提出了可綜合考慮非線性剛度、間隙、摩擦等因素的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)建模方法，建立了關(guān)節(jié)非線性動(dòng)力學(xué)模型，并分析了間隙、摩擦、剛度等非線性因素對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律，進(jìn)一步綜合考慮分析了關(guān)節(jié)柔性和臂桿柔性對(duì)機(jī)械臂末端動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響。 對(duì)目標(biāo)載荷的成功抓捕是完成在軌服務(wù)的關(guān)鍵，針對(duì)具有大容差、軟捕獲特性的繩索式末端執(zhí)行器，應(yīng)用有限段離散化方法完成了柔性繩索動(dòng)力學(xué)建模，分析了繩索離散化模型的參數(shù)選取原則，，進(jìn)一步引入繩索與目標(biāo)間的非線性接觸碰撞力和摩擦力模型，建立了末端執(zhí)行器捕獲動(dòng)力學(xué)模型。設(shè)計(jì)了末端捕獲沖擊實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確性。所建繩索捕獲動(dòng)力學(xué)模型可充分考慮繩索的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及捕獲過程中繩索與目標(biāo)間的接觸碰撞過程，為繩索設(shè)計(jì)和捕獲策略調(diào)試提供基礎(chǔ)。 機(jī)械臂捕獲目標(biāo)時(shí)，不可避免的與目標(biāo)間發(fā)生碰撞沖擊，過大的沖擊力不僅使基體姿態(tài)產(chǎn)生偏差，還可能使目標(biāo)逃逸導(dǎo)致抓捕失敗，針對(duì)機(jī)械臂抓捕目標(biāo)過程，提出并實(shí)現(xiàn)了快速接近-慢速接觸-速度跟蹤（FA-SC-VT）末端捕獲策略，并以建立的末端捕獲動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行捕獲過程仿真分析，結(jié)果表明FA-SC-VT捕獲策略與傳統(tǒng)勻速捕獲策略相比，可大幅減小機(jī)械臂末端產(chǎn)生的沖擊力，并可有效的解決小質(zhì)量目標(biāo)捕獲過程中的逃逸問題。進(jìn)一步結(jié)合FA-SC-VT捕獲策略設(shè)計(jì)了機(jī)械臂的關(guān)節(jié)阻尼控制器和阻抗控制器分別完成對(duì)合作目標(biāo)和非合作目標(biāo)的柔順抓捕控制，相對(duì)于位置保持硬抓取，阻抗控制軟抓取可有效減小末端與目標(biāo)間的碰撞沖擊力，減小對(duì)基體位姿的影響。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP241.3
【目錄】：

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【參考文獻(xiàn)】

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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 王樹新;張冬梅;金國(guó)光;劉又午;;視覺控制柔性機(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8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

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)建模分析及在軌抓捕控制，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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