空間機器人多體動力學及捕獲問題研究.pdf

1、伴隨人類科學技術(shù)的不斷進步和人類探索太空活動的不斷深入，空間機器人正在逐漸取代人類航天員成為執(zhí)行航天器在軌服務(wù)任務(wù)的主體。相對于遙控和半遙控空間機器人，具有自主在軌服務(wù)能力的空間機器人因其能夠避免操作延時大、環(huán)境適應能力差等缺點，從而成為各個航天大國研究開發(fā)的重點。由于空間機器人系統(tǒng)本身具有很強的非線性和耦合性，其動力學問題的復雜程度和操作控制的難度要遠遠大于地面具有固定支座的工業(yè)機器人，這對空間機器人自主完成在軌服務(wù)提出了巨大挑戰(zhàn)。<

2、br>　　本學位論文在國家自然科學基金(11132001,11272202)、上海市教委科研重點項目(14ZZ021)和上海市自然科學基金(14ZR1421000)的資助下，開展了空間機器人動力學與控制問題的研究，主要研究內(nèi)容和成果總結(jié)如下：
　　(1)分別對剛性空間機器人與柔性空間機器人的動力學建模問題進行了研究?；趩蜗蜻f推組集多體動力學方法分別給出了剛性空間機器人和柔性空間機器人的運動學方程、動力學方程的推導過程，并且通過與

3、ADAMS軟件的仿真計算結(jié)果對比驗證了本文所建模型的正確性。
　　(2)分別對剛性空間機器人和柔性空間機器人捕獲空間自由漂浮目標的動力學與控制問題進行了研究。首先基于計算機圖形學和 Hertz碰撞理論分別建立了剛性空間機器人和柔性空間機器人機械臂末端執(zhí)行器與被捕獲目標之間的接觸檢測與接觸力模型，然后分別基于計算力矩方法和PD控制方法設(shè)計了剛性空間機器人和柔性空間機器人的控制器。在此基礎(chǔ)上，對空間機器人捕獲空間自由漂浮目標進行了數(shù)值

4、仿真研究。在剛性空間機器人的研究中，分別研究了末端執(zhí)行器與被捕獲目標之間對心碰撞和偏心碰撞對捕獲操作和系統(tǒng)特性的影響。在柔性空間機器人的研究中，不但研究了對心碰撞和偏心碰撞對捕獲操作和系統(tǒng)特性的影響，而且研究了末端執(zhí)行器與被捕獲目標相向運動和同向運動的影響。數(shù)值仿真結(jié)果顯示，捕獲操作會對系統(tǒng)產(chǎn)生十分不利的影響；捕獲過程中末端執(zhí)行器與自由漂浮物體之間存在著連續(xù)多次碰撞；相對于對心碰撞，偏心碰撞因具有更大且更復雜的動量矩輸入，從而會對系統(tǒng)產(chǎn)

5、生更大的沖擊；相對于同向碰撞，相向碰撞由于會引起系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的減少從而會引起系統(tǒng)更大的響應；另外仿真結(jié)果證明了本文所設(shè)計的計算力矩控制器和PD控制器的有效性。
　　(3)分別對考慮關(guān)節(jié)摩擦的剛性空間機器人和柔性空間機器人動力學建模與控制問題進行了研究。對于考慮關(guān)節(jié)摩擦的剛性空間機器人，給出了一種基于單向遞推組集方法、第一類Lagrangian方程和牛頓-歐拉法的系統(tǒng)動力學建模方法；對于考慮關(guān)節(jié)摩擦的柔性空間機器人，則給出了一種基于

6、單向遞推組集方法和牛頓-歐拉法的動力學建模方法。通過與ADAMS軟件的仿真計算結(jié)果對比驗證了以上兩種建模方法的正確性。數(shù)值仿真中，詳細研究了關(guān)節(jié)摩擦對系統(tǒng)特性的影響以及不同摩擦模型之間的區(qū)別。仿真結(jié)果顯示，空間機器人關(guān)節(jié)摩擦現(xiàn)象會對系統(tǒng)特性造成影響；在一定條件下并非運動速度越低越容易產(chǎn)生“stick-slip”現(xiàn)象，反而是相對較快的速度會引起更為明顯的“stick-slip”現(xiàn)象；相對于Coulomb模型和 Stribeck模型，LuG

7、re模型能夠更好地描述低速摩擦特性；LuGre摩擦模型中的參數(shù)?0(鬃毛平均剛度)和?1(鬃毛平均阻尼剛度)對于描述關(guān)節(jié)摩擦力是極其重要的，關(guān)節(jié)摩擦對柔性空間機器人產(chǎn)生的不利影響會隨著?0和?1的增大而增大。
　　(4)對可變結(jié)構(gòu)桁架機械臂的運動學和動力學建模以及控制問題進行了研究。首先對可變結(jié)構(gòu)桁架機械臂結(jié)構(gòu)進行了等效簡化，并利用等價原理將原系統(tǒng)從閉環(huán)系統(tǒng)變成開環(huán)系統(tǒng)；然后利用系統(tǒng)的幾何關(guān)系和單向遞推組集方法推導了系統(tǒng)的運動學與