宇航机器人动力学建模研究

论文摘要

随着人类宇航发展的脚步,用机器人代替人类维修和探查等活动是必要的。在宇航机器人建模中,由于轻质机械臂的采用,加上对其精度的要求,必须要考虑机械臂的柔性效应。本文研究了宇航机器人的动力学建模,首先对机器人通过拉格朗日方法进行多刚体建模,为机器人的控制与动力学设置提供了依据。然后考虑到机械臂的柔性,通过Kane运动学方法建模,结合模态分析和运动控制来研究宇航机器人的柔性多体机械臂在运行中的动态响应,对多体系统可靠性做了初步的规划研究。1.对机器人分划为机械体与机械臂连接的模型,通过拉格朗日方法对其进行多刚体建模,初步对其运动与动力学分析提供了模型。2.考虑机械臂的柔性,通过Kane方法的分析,将宇航机器人模型归纳为机械体与柔性机械臂连接的模型,在弹性小变形的情况下,对单机械臂的动力学进行分析,计算了基本的运动学参量,进而用Kane方程建立了考虑臂柔性的机械臂的动力学模型。3.根据现有的柔性机械臂数据,对其加载,并用模态分析的方法分别研究了各个单个机械臂的动力学响应。4.对航空多体系统的运动可靠性做了初步的规划研究,通过对其在各个阶段的可靠性简单分类研究,为以后的航空动力系统运动规划可靠性研究打下基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 课题的背景介绍
• 1.3 国内外发展状况
• 1.3.1 多刚体动力学
• 1.3.2 多柔体动力学
• 1.4 本论文主要工作
• 第2章 航空机器人多刚体动力学建模
• 2.1 航空机器人模型
• 2.2 第二类拉格朗日方程
• 2.3 机械臂的多刚体动力学建模
• 2.3.1 机械臂的参数选定
• 2.3.2 动能和势能的计算
• 2.3.3 机械臂的惯性矩计算
• 2.4 机械臂的动力学仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 KANE方法
• 3.1 Kane方法介绍
• 3.2 Kane方法在多体系统中应用
• 3.2.1 等效力和等效力矩
• 3.2.2 等效惯性力和等效惯性力矩
• 3.2.3 广义力
• 3.3 本章小结
• 第4章 柔性机械臂的KANE方法建模
• 4.1 模型描述
• 4.2 模态展开法
• 4.3 机械臂的建模推导
• 4.3.1 机械臂的假设与参数
• 4.3.2 动力学基本量推导
• 4.4 宇航机器人动力学仿真
• 4.4.1 动力学参量
• 4.4.2 Matlab下的动力学仿真及结果
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 多体系统可靠性设计初探
• 5.1 初始静止状态可靠性
• 5.2 开锁与闭锁可靠性
• 5.3 运动功能可靠性
• 5.4 系统电子设备可靠性
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢