本文關(guān)鍵詞：大型空間機(jī)械臂動(dòng)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(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(duì)于空間站的建設(shè)與日常維護(hù)會(huì)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(shí)的運(yùn)動(dòng)控制提供一些借鑒。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:第一,在對(duì)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(yùn)動(dòng)學(xué)與正逆雅可比矩陣,并針對(duì)機(jī)械臂冗余自由度進(jìn)行了軌跡優(yōu)化,運(yùn)用五次插值規(guī)劃保證了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中加速度不會(huì)突變,運(yùn)用關(guān)節(jié)速度優(yōu)化方法合理分配了各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度,從軌跡規(guī)劃層面保證了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的穩(wěn)定性。第二,針對(duì)空間環(huán)境微重力的特點(diǎn),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(dòng)力學(xué)模型,對(duì)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(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂的前饋控制打下了基礎(chǔ)。第三,針對(duì)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(dòng)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(duì)電機(jī)參數(shù)提出了辨識(shí)算法,能通過實(shí)驗(yàn)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(duì)機(jī)械臂工作過程中,關(guān)節(jié)力矩會(huì)發(fā)生大范圍快速變化的情況,提出采用基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與關(guān)節(jié)動(dòng)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(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度,提高了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。最后,針對(duì)空間機(jī)械臂控制算法的地面驗(yàn)證,設(shè)計(jì)了一套半實(shí)物仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。能夠驗(yàn)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(dòng)大負(fù)載進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定控制效果。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(shí)物仿真
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(yàn)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(yùn)動(dòng)學(xué)24-27
• 2.2 七自由度機(jī)械臂雅可比矩陣計(jì)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(jì)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(dòng)力學(xué)模型38-50
• 3.1 動(dòng)力學(xué)建模方法比較38-39
• 3.2 動(dòng)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(yùn)動(dòng)方程41-42
• 3.3 漂浮基動(dòng)力學(xué)計(jì)算原理42-46
• 3.4 漂浮基動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算46-49
• 3.5 小結(jié)49-50
• 第4章 關(guān)節(jié)電機(jī)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)模型參數(shù)辨識(shí)58-61
• 4.3.1 永磁同步電機(jī)定子電阻辨識(shí)方法59-60
• 4.3.2 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈f? 的辨識(shí)60
• 4.3.3 永磁同步電機(jī)定子電感qL的辨識(shí)60-61
• 4.4 小結(jié)61-62
• 第5章 雙動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析69-90
• 6.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)69-74
• 6.1.1 整體方案69-70
• 6.1.2 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)70-72
• 6.1.3 實(shí)物驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)72-74
• 6.2 仿真結(jié)果及分析74-89
• 6.2.1 軌跡優(yōu)化實(shí)驗(yàn)74-76
• 6.2.2 漂浮基動(dòng)力學(xué)計(jì)算準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)76-80
• 6.2.3 電機(jī)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)辨識(shí)與模型驗(yàn)證80-83
• 6.2.4 雙動(dòng)力學(xué)多前饋穩(wěn)定控制實(shí)驗(yàn)83-87
• 6.2.5 半物理仿真系統(tǒng)整體控制實(shí)驗(yàn)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(hào)：255678