空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與參數(shù)辨識(shí)研究.pdf

1、隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類(lèi)太空探索活動(dòng)的日益增多，空間機(jī)器人因其能完成空間站的組裝與維修、以及抓捕、釋放、回收衛(wèi)星等高度復(fù)雜的任務(wù)，它在未來(lái)無(wú)疑將會(huì)扮演越來(lái)越重要的角色?？臻g機(jī)器人是由多個(gè)臂桿所組成，是典型的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，各機(jī)構(gòu)之間的鉸鏈存在著摩擦、間隙等非光滑因素，這些因素會(huì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性造成重要影響。另一方面，空間機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)不可避免地要消耗能源，導(dǎo)致其慣性參數(shù)會(huì)產(chǎn)生變化，另外使用空間機(jī)器人捕獲目標(biāo)時(shí)也需要對(duì)被捕獲目標(biāo)

2、的慣性參數(shù)進(jìn)行識(shí)別。因此，開(kāi)展空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題的研究具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值，這些問(wèn)題也是當(dāng)前多體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。
　　本學(xué)位論文在國(guó)家自然科學(xué)基金(11132001,11272202,11472171)、上海市教委科研重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZZ021)和上海市自然科學(xué)基金(14ZR1421000)的資助下，開(kāi)展了空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與參數(shù)辨識(shí)的研究，主要研究?jī)?nèi)容和成果總結(jié)如下：
　　(1)開(kāi)展

3、了空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模的研究。首先，給出空間機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)描述，并建立了系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)的等效物理、數(shù)學(xué)模型；然后，采用系統(tǒng)的獨(dú)立的廣義坐標(biāo)即鉸坐標(biāo)詳細(xì)推導(dǎo)了空間機(jī)器人多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程；進(jìn)而，分析關(guān)節(jié)摩擦對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的貢獻(xiàn)，給出了關(guān)節(jié)摩擦的具體形式；最后，開(kāi)展數(shù)值仿真研究，驗(yàn)證本文理論的有效性。數(shù)值仿真結(jié)果顯示，本論文所建立的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型能夠有效地描述空間機(jī)器人的系統(tǒng)特性，這為后續(xù)的參數(shù)辨識(shí)工作打下了理論基礎(chǔ)。
　　

4、(2)基于牛頓歐拉方程開(kāi)展了空間機(jī)器人慣性參數(shù)辨識(shí)的研究。首先，介紹了六維腕力傳感器及其工作原理；然后，推導(dǎo)了考慮關(guān)節(jié)摩擦情況下的空間機(jī)器人的牛頓歐拉方程，并且在此基礎(chǔ)上將方程進(jìn)行改寫(xiě)，分離出待辨識(shí)的參數(shù)；進(jìn)而，基于牛頓歐拉方程和腕力傳感器信號(hào)求解空間機(jī)器人的慣性參數(shù)；最后，通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)本文所給方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，分別從本體、被抓取物體和整體角度進(jìn)行辨識(shí)仿真。數(shù)值仿真結(jié)果顯示，本論文所采用的辨識(shí)方法能準(zhǔn)確求解考慮關(guān)節(jié)摩擦情況下空間