本文關(guān)鍵詞：大型空間機(jī)械臂動力學(xué)建模與穩(wěn)定控制策略，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著人類對于空間探索的不斷深入,在軌空間站作為人類空間探索極其重要的實驗平臺正逐漸朝著大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。下一階段我國載人航天的重要工作便是大型空間站的建設(shè),大型空間機(jī)械臂對于空間站的建設(shè)與日常維護(hù)會起到非常重要的作用。本文基于此背景,研究七自由度空間機(jī)械臂攜帶大質(zhì)量負(fù)載下的穩(wěn)定控制策略,為未來空間站建設(shè)過程中機(jī)械臂輔助工作時的運動控制提供一些借鑒。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:第一,在對七自由度空間機(jī)械臂構(gòu)型分析的基礎(chǔ)上,建立了一套桿件坐標(biāo)系,分析并求解了七自由度空間機(jī)械臂的正運動學(xué)與正逆雅可比矩陣,并針對機(jī)械臂冗余自由度進(jìn)行了軌跡優(yōu)化,運用五次插值規(guī)劃保證了關(guān)節(jié)運動過程中加速度不會突變,運用關(guān)節(jié)速度優(yōu)化方法合理分配了各關(guān)節(jié)運動速度,從軌跡規(guī)劃層面保證了機(jī)械臂運動控制的穩(wěn)定性。第二,針對空間環(huán)境微重力的特點,利用空間向量法建立了七自由度空間機(jī)械臂漂浮基座下的動力學(xué)模型,對鏈?zhǔn)綗o根多體系統(tǒng)進(jìn)行了求解,得到了機(jī)械臂、末端負(fù)載以及空間站基座之間的耦合關(guān)系,為實現(xiàn)空間機(jī)械臂的前饋控制打下了基礎(chǔ)。第三,針對空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用的永磁同步電機(jī)進(jìn)行了研究,建立了永磁同步電機(jī)動力學(xué)模型,得到了關(guān)節(jié)負(fù)載力矩到電機(jī)電流的映射以及電機(jī)電流到電機(jī)電壓的映射。并對電機(jī)參數(shù)提出了辨識算法,能通過實驗校準(zhǔn)模型參數(shù),為關(guān)節(jié)前饋控制提供了條件。第四,針對機(jī)械臂工作過程中,關(guān)節(jié)力矩會發(fā)生大范圍快速變化的情況,提出采用基于系統(tǒng)動力學(xué)與關(guān)節(jié)動力學(xué)的多前饋控制策略,能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)控制上的位置、速度、加速度連續(xù),減少力矩沖擊,并加快了末端大負(fù)載下的運動響應(yīng)速度,提高了機(jī)械臂運動的穩(wěn)定性。最后,針對空間機(jī)械臂控制算法的地面驗證,設(shè)計了一套半實物仿真驗證系統(tǒng)。能夠驗證空間機(jī)械臂在真空高低溫以及失重的環(huán)境下,末端帶動大負(fù)載進(jìn)行運動時的穩(wěn)定控制效果。仿真和實驗結(jié)果驗證了空間機(jī)械臂穩(wěn)定控制算法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：空間機(jī)械臂 穩(wěn)定控制 軌跡規(guī)劃 前饋控制 半實物仿真
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP241
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-24
• 1.1 本論文研究的目的和意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-22
• 1.2.1 國內(nèi)外大型空間機(jī)械臂研究現(xiàn)狀11-16
• 1.2.2 大型空間機(jī)械臂控制方法研究現(xiàn)狀16-18
• 1.2.3 地面仿真驗證系統(tǒng)研究現(xiàn)狀18-22
• 1.3 本論文的主要研究工作22-24
• 第2章 七自由度空間機(jī)械臂軌跡優(yōu)化24-38
• 2.1 七自由度空間機(jī)械臂運動學(xué)24-27
• 2.2 七自由度機(jī)械臂雅可比矩陣計算27-30
• 2.2.1 雅可比矩陣參考坐標(biāo)系的變換28
• 2.2.2 線速度與角速度求解28-30
• 2.2.3 七自由度空間機(jī)械臂逆雅可比矩陣計算30
• 2.3 冗余自由度軌跡優(yōu)化30-37
• 2.3.1 軌跡規(guī)劃及優(yōu)化目標(biāo)31-32
• 2.3.2 五次插值規(guī)劃32-35
• 2.3.3 七自由度機(jī)器人軌跡優(yōu)化的算法分析35-36
• 2.3.4 軌跡優(yōu)化應(yīng)用36-37
• 2.4 小結(jié)37-38
• 第3章 機(jī)械臂整體漂浮基動力學(xué)模型38-50
• 3.1 動力學(xué)建模方法比較38-39
• 3.2 動力學(xué)量的空間矢量表示39-42
• 3.2.1 基本變量表示40
• 3.2.2 基本轉(zhuǎn)換矩陣40-41
• 3.2.3 單剛體運動方程41-42
• 3.3 漂浮基動力學(xué)計算原理42-46
• 3.4 漂浮基動力學(xué)模型計算46-49
• 3.5 小結(jié)49-50
• 第4章 關(guān)節(jié)電機(jī)動力學(xué)模型50-62
• 4.1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型50-56
• 4.2 關(guān)節(jié)電機(jī)動力學(xué)模型56-58
• 4.2.1 關(guān)節(jié)負(fù)載力矩到電機(jī)電流的映射57
• 4.2.2 電機(jī)電流到電機(jī)電壓的映射57-58
• 4.3 永磁電機(jī)動力學(xué)模型參數(shù)辨識58-61
• 4.3.1 永磁同步電機(jī)定子電阻辨識方法59-60
• 4.3.2 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈f? 的辨識60
• 4.3.3 永磁同步電機(jī)定子電感qL的辨識60-61
• 4.4 小結(jié)61-62
• 第5章 雙動力學(xué)前饋控制策略62-69
• 5.1 傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)控制算法62-64
• 5.1.1 普通PID三環(huán)控制策略62-63
• 5.1.2 帶有力矩環(huán)前饋的PID控制策略63-64
• 5.2 基于雙動力學(xué)前饋的控制策略64-67
• 5.2.1 速度環(huán)前饋控制64-65
• 5.2.2 電流環(huán)前饋控制65-66
• 5.2.3 關(guān)節(jié)負(fù)載力矩前饋控制66
• 5.2.4 整體控制策略66-67
• 5.3 小結(jié)67-69
• 第6章 實驗設(shè)計及分析69-90
• 6.1 實驗系統(tǒng)設(shè)計69-74
• 6.1.1 整體方案69-70
• 6.1.2 仿真系統(tǒng)設(shè)計70-72
• 6.1.3 實物驗證平臺設(shè)計72-74
• 6.2 仿真結(jié)果及分析74-89
• 6.2.1 軌跡優(yōu)化實驗74-76
• 6.2.2 漂浮基動力學(xué)計算準(zhǔn)確率實驗76-80
• 6.2.3 電機(jī)動力學(xué)模型參數(shù)辨識與模型驗證80-83
• 6.2.4 雙動力學(xué)多前饋穩(wěn)定控制實驗83-87
• 6.2.5 半物理仿真系統(tǒng)整體控制實驗87-89
• 6.3 小結(jié)89-90
• 結(jié)論90-92
• 參考文獻(xiàn)92-99
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單99-100
• 致謝100

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本文編號：255678