基于性能約束的空間機(jī)械臂軌跡跟蹤控制.pdf

1、機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)械臂在航天領(lǐng)域的應(yīng)用,同時(shí)在軌服務(wù)等航天活動(dòng)的日益增多也客觀上對(duì)空間機(jī)械臂的應(yīng)用提出了更多的要求。對(duì)空間機(jī)械臂而言,當(dāng)捕獲或抓取非合作目標(biāo)時(shí),其整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)都會(huì)發(fā)生變化。為此,本文對(duì)空間機(jī)械臂建模及魯棒控制問題進(jìn)行研究,具體內(nèi)容如下。
　　首先采用廣義雅可比矩陣和拉格朗日方程建立了空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型,闡述了虛擬機(jī)械臂和動(dòng)力學(xué)等價(jià)機(jī)械臂的建模思想。并在此基礎(chǔ)上深入分析了其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)

2、特性,同時(shí)針對(duì)自由漂浮工作模式下空間機(jī)械臂的姿態(tài)干擾特性和非完整特性進(jìn)行了仿真說明。
　　針對(duì)存在系統(tǒng)不確定性和外界干擾的空間機(jī)械臂軌跡跟蹤魯棒控制問題,本文首先考慮自由飛行工作模式下的空間機(jī)械臂,利用模型的可線性化特點(diǎn),設(shè)計(jì)逆雅可比自適應(yīng)控制律,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)軌跡跟蹤誤差漸近穩(wěn)定控制,同時(shí)保證位置和速率跟蹤誤差2范數(shù)低于預(yù)設(shè)值,并應(yīng)用耗散不等式證明閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)外部干擾具有2小增益抑制能力。而后考慮自由漂浮工作模式下空間機(jī)械臂模型的不

3、可線性化特點(diǎn),采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法來(lái)逼近模型中的非線性不確定項(xiàng),設(shè)計(jì)時(shí)變?cè)鲆鏋V波器和反步控制律,保證閉環(huán)系統(tǒng)軌跡跟蹤誤差漸近穩(wěn)定和對(duì)外部干擾具有2小增益抑制能力。
　　考慮所設(shè)計(jì)的逆雅可比魯棒控制器可能存在奇異問題,提出基于控制的規(guī)避方法。首先分析自由飛行和自由漂浮模式下的機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間奇異與非奇異構(gòu)型,然后將其映射至機(jī)械臂任務(wù)空間,獲得任務(wù)空間內(nèi)奇異與非奇異子空間,如此若可保證在系統(tǒng)不確定性和外界干擾下閉環(huán)系統(tǒng)漸進(jìn)跟蹤參考軌跡的

4、同時(shí),末端執(zhí)行器始終位于非奇異子空間內(nèi),則可有效規(guī)避雅可比運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異現(xiàn)象。為此本文提出了一種基于控制變換的方法來(lái)解決此問題,通過設(shè)計(jì)非線性時(shí)變坐標(biāo)變換,將對(duì)跟蹤誤差變量時(shí)域響應(yīng)要求轉(zhuǎn)化為對(duì)變換后誤差向量的穩(wěn)定性要求,并通過設(shè)計(jì)反步自適應(yīng)控制律來(lái)使變換后誤差向量滿足最終一致有界穩(wěn)定,這樣通過反變換得到控制律就可保證原閉環(huán)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)控制誤差變量滿足預(yù)設(shè)的性能約束,從而滿足雅可比運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異規(guī)避的要求。
　　最后采用本文中的建模方法,建立