空間柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性與主動(dòng)控制研究.pdf

1、人類對太空探索的不斷深入使得空間任務(wù)越來越多，而太空環(huán)境的特殊性和危險(xiǎn)性使得很多任務(wù)不能完全依靠宇航員完成?？臻g柔性機(jī)械臂具有適應(yīng)太空惡劣作業(yè)環(huán)境的能力，采用機(jī)械臂協(xié)助或代替宇航員完成一些太空作業(yè)在經(jīng)濟(jì)性和安全性兩方面都具有現(xiàn)實(shí)意義，已成為當(dāng)前空間技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向。本論文在教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目“空間柔性機(jī)器人動(dòng)力學(xué)/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(jī)械臂為研究對象，對其動(dòng)力學(xué)特性和相關(guān)的主動(dòng)

2、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(jī)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(dòng)約束狀態(tài)下的復(fù)雜邊界條件，并將關(guān)節(jié)控制器參數(shù)引入臂桿在離散平衡位置附近的振動(dòng)動(dòng)力方程，分別建立了頻域空間和狀態(tài)空間內(nèi)模態(tài)求解的解析方法；針對機(jī)械臂的大范圍運(yùn)動(dòng)影響臂桿自身的彈性振動(dòng)模態(tài)問題，重點(diǎn)研究柔性臂動(dòng)力學(xué)方程中切向慣性力項(xiàng)的影響，得到剛/柔耦合運(yùn)動(dòng)條件下臂桿的振動(dòng)模態(tài)參數(shù)；特別地，研究

3、了多活動(dòng)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(jī)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(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行剛/柔/控耦合動(dòng)力學(xué)建模；基于系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型設(shè)計(jì)一種適用于開、閉環(huán)條件的穩(wěn)定數(shù)值PIM法，同時(shí)進(jìn)行大量的數(shù)值實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值求解并與KED法進(jìn)行對比分析，得到不用于經(jīng)典振動(dòng)理論的結(jié)論。
　　

4、 再次，對機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)不確定模型進(jìn)行了建模分析，并提出一種同時(shí)補(bǔ)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(fù)合控制策略。全局采用Lyapunov函數(shù)的Backstepping方法設(shè)計(jì)具有柔性補(bǔ)償和L2干擾抑制性能的控制器，同時(shí)，針對常規(guī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)對摩擦和不確定項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)計(jì)的控制策略不僅避免了單一反演魯棒設(shè)計(jì)中復(fù)雜的求導(dǎo)運(yùn)算，而且無須檢測關(guān)節(jié)角加速度、辨識

5、摩擦和估計(jì)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(jī)械臂在新坐標(biāo)系下分解為輸入-輸出子系統(tǒng)和內(nèi)部子系統(tǒng)，導(dǎo)出零動(dòng)力學(xué)規(guī)范化方程，并討論系統(tǒng)觀測輸出位置的選擇和零動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性之間的關(guān)系；建立柔性機(jī)械臂的全局快速收斂終端滑?？刂撇呗裕鉀Q非最小相位系統(tǒng)的魯棒控制問題，實(shí)現(xiàn)僅依靠關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成關(guān)節(jié)定位和臂桿殘余振動(dòng)的抑制。
　　 最后，對空間柔性機(jī)械臂的相關(guān)動(dòng)力學(xué)特性和控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究