空间柔性机械臂的动力学分析

论文摘要

随着航天科技发展与空间机器人技术的成熟,空间机械臂在空间探索和开发中发挥着越来越大的作用。为保证机械臂具有较大的操作空间和较小的有效载荷,多使用细长杆。由于柔性机械臂与载体之间的强耦合作用,需建立精确描述其动力学和运动学状态的模型,因此考虑臂杆柔性的动力学建模具有重要意义。在系统总结这一领域研究的基础上,本文对柔性机械臂的动力学建模进行了深入的研究,主要包括以下内容:首先,基于有限段方法描述柔性机械臂的变形,将臂杆离散为多个由弹簧和阻尼器连接的刚体段,应用多刚体动力学方法计算表征各段相对运动的变量。选取相对位移和相对速度为广义坐标和广义速度,建立模型的运动学方程及线位移的微分方程。其次,针对空间柔性机械臂动力学模型特点,引入有限元中的空间梁单元刚度矩阵计算段间变形力,以弹性力学分析方法代替以往的材料力学方法,推导各刚体段的等效主动力、等效主动力矩,进而投影于凯恩方程中,建立空间柔性机械臂的动力学模型。然后,应用MATLAB编制相应的动力学仿真算法,对柔性机械臂进行动力学仿真分析。针对单柔性杆机械臂,通过对不同分段数下动力学仿真结果进行比较分析,确定在满足精度要求下合理有效的分段数,进一步应用于双柔性机械臂的仿真计算中,进行动力学仿真并分析其动力学响应。最后,针对含铰间间隙双柔性机械臂,引入间隙碰撞力模型,并建立含间隙碰撞的柔性机械臂动力学方程,进行动力学仿真分析,初步研究间隙对柔性机械臂动力学特性的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 空间机械臂国内外应用现状
• 1.3 国内外相关领域研究概况
• 1.3.1 多体系统动力学的研究现状
• 1.3.2 空间柔性机械臂的研究现状
• 1.4 多体系统动力学的建模方法
• 1.4.1 多体系统离散化方法
• 1.4.2 多体系统动力学建模理论
• 1.4.3 多体系统动力学建模坐标系选择
• 1.5 本文的主要内容
• 第2章 空间柔性机械臂有限段模型
• 2.1 空间柔性机械臂的有限段离散化
• 2.2 相邻刚体段广义欧拉角的描述
• 2.3 相邻刚体段的角速度描述
• 2.4 变换矩阵
• 2.5 模型的运动学分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 空间柔性机械臂动力学模型
• 3.1 凯恩动力学建模方法概述
• 3.1.1 质点系的凯恩动力学方程
• 3.1.2 单个有限段刚体的凯恩动力学方程
• 3.2 空间柔性机械臂的凯恩动力学模型
• 3.2.1 段间变形力
• 3.2.2 等效主动力和力矩
• 3.2.3 动力学方程
• 3.3 含间隙空间机械臂动力学建模
• 3.3.1 铰间间隙的描述
• 3.3.2 碰撞力模型
• 3.3.3 自由—接触切换点的预测与识别
• 3.3.4 含间隙空间机械臂动力学方程
• 3.4 本章小结
• 第4章 空间柔性机械臂动力学仿真分析
• 4.1 动力学仿真算法
• 4.2 单柔性机械臂动力学仿真分析
• 4.3 双柔性机械臂动力学仿真分析
• 4.4 含间隙的空间机械臂动力学仿真
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢