空間柔性機械臂動力學(xué)建模分析及在軌抓捕控制.pdf

1、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、長壽命的方向發(fā)展，空間機械臂的在軌應(yīng)用將愈加廣泛且重要?？臻g機械臂工作半徑大、結(jié)構(gòu)剛度低、負載質(zhì)量變化范圍廣，臂桿及關(guān)節(jié)柔性特征明顯，動力學(xué)特性呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性，本文針對空間柔性機械臂系統(tǒng)的動力學(xué)建模、動態(tài)特性分析以及在軌抓捕目標控制等關(guān)鍵問題進行深入研究，為空間機械臂的機構(gòu)設(shè)計、在軌應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。
　　空間機械臂系統(tǒng)是典型的鏈式無根多體系統(tǒng)，由于臂桿柔性影響

2、，在進行大范圍剛性運動的同時伴隨著小幅的柔性振動，呈現(xiàn)明顯的剛?cè)狁詈咸匦?，本文基于遞推算法建立了高效的空間剛性機械臂動力學(xué)模型，給出了動力學(xué)模型中慣量陣、雅克比矩陣等的遞推形式表達式，可用于機械臂控制系統(tǒng)中。進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械臂動力學(xué)模型，可完成空間漂浮基柔體機械臂系統(tǒng)的動力學(xué)分析與計算。最終通過與商用軟件對比驗證了模型的正確性和高效性。
　　空間柔性機械臂系統(tǒng)動態(tài)特性分析，還需考慮關(guān)節(jié)柔性影

3、響，由關(guān)節(jié)嚙合剛度、間隙、摩擦等引入的非線性，是影響機械臂系統(tǒng)運動精度和平穩(wěn)性的主要因素，建立精確的柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型，是機械臂系統(tǒng)設(shè)計、特性分析和控制器設(shè)計調(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)動力學(xué)建模方法，建立了關(guān)節(jié)非線性動力學(xué)模型，并分析了間隙、摩擦、剛度等非線性因素對關(guān)節(jié)動力學(xué)特性的影響規(guī)律，進一步綜合考慮分析了關(guān)節(jié)柔性和臂桿柔性對機械臂末端動力學(xué)響應(yīng)的影響。
　　對目標載荷的成功抓捕是完成在

4、軌服務(wù)的關(guān)鍵，針對具有大容差、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力學(xué)建模，分析了繩索離散化模型的參數(shù)選取原則，進一步引入繩索與目標間的非線性接觸碰撞力和摩擦力模型，建立了末端執(zhí)行器捕獲動力學(xué)模型。設(shè)計了末端捕獲沖擊實驗，驗證了模型的正確性。所建繩索捕獲動力學(xué)模型可充分考慮繩索的空間運動狀態(tài)以及捕獲過程中繩索與目標間的接觸碰撞過程，為繩索設(shè)計和捕獲策略調(diào)試提供基礎(chǔ)。
　　機械臂捕獲目標時，不可避免的與

5、目標間發(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，還可能使目標逃逸導(dǎo)致抓捕失敗，針對機械臂抓捕目標過程，提出并實現(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力學(xué)模型為基礎(chǔ)進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，可大幅減小機械臂末端產(chǎn)生的沖擊力，并可有效的解決小質(zhì)量目標捕獲過程中的逃逸問題。進一步結(jié)合FA-SC-VT捕獲策略設(shè)計了機械臂的關(guān)節(jié)阻尼控制器和