大型空间机械臂的建模与控制研究

论文摘要

随着人类对宇宙探索脚步的加快,空间机器人在的空间活动中的作用也日益关键。安装在空间站和航天飞机上的大型空间机械臂,可以起到抓取大型空间设备,进行空间站的建设,协助宇航员进行空间设备的维护等工作。大型空间机械臂与其它机械臂相比,具有较高的速度和负载自重比,缺点是有较大的柔性。在研究的基础上对其进行改进,通过在关节中加入力矩传感器,对关节进行力矩控制,有助于抑制大臂的振动。但是由关节柔性所带来的高度非线性,强耦合以及时变等特点使得对其柔性关节的控制变得很复杂。因此寻求合理的非线性控制方法就成为本文所研究的重点。本文通过建立机械臂关节坐标系模型,推导出机械臂运动学正逆解公式。同时给出柔性关节的动力学模型。这些都是轨迹规划及运动控制的重要数学模型。文章对大型空间机械臂控制的硬件系统-传感器系统进行了设计。重点对用于大型空间臂的关节力矩传感器进行了详细设计。关节力矩传感器不仅为机械臂柔顺控制的实现提供力感信息,而且可以用于柔性关节的位置控制。将基于微分几何原理的非线性系统的状态反馈精确线性化方法应用到柔性关节的控制中。把文中建立的柔性关节的动力学模型,写成仿射非线性系统的形式,然后利用输入输出反馈线性化方法,通过适当的状态变换和反馈变换,将原系统等价转化为线性系统。这样问题就转化为线性系统的输出跟踪问题。对该线性系统采用了滑模控制方法完成了控制律的设计,在接下来的仿真中看出系统输出完成了对期望信号准确的跟踪。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究目的及意义
• 1.2 大型空间机械臂国内外研究现状
• 1.2.1 大型空间机械臂综述
• 1.2.2 机械臂的构型分析
• 1.3 力/力矩传感器的研究现状
• 1.4 柔性关节建模与控制现状
• 1.5 非线性反馈线性化方法
• 1.6 课题来源及主要研究内容
• 第2章 大型空间机械臂运动学及动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 空间机械臂的构型的确定
• 2.3 机械臂运动学正解
• 2.4 机械臂运动学方程逆解
• 2.5 柔性关节的动力学模型
• 2.5.1 直流电机模型
• 2.5.2 柔性关节数学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 大型空间机械臂传感器系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 关节传感器系统设计
• 3.3 力矩传感器工作原理
• 3.4 关节力矩传感器的负载力矩计算
• 3.4.1 机械臂参数及模型建立
• 3.4.2 关节力矩计算
• 3.5 关节力矩传感器的本体设计
• 3.5.1 力矩传感器的设计要求
• 3.5.2 应变片的选择与安装
• 3.5.3 力矩传感器电路的设计
• 3.6 本章小结
• 第4章 柔性关节的微分几何控制方法
• 4.1 引言
• 4.2 非线性控制的微分几何基础
• 4.2.1 光滑函数和向量场
• 4.2.2 李导数和李括号
• 4.2.3 坐标变换与微分同胚
• 4.3 单输入单输出系统反馈线性化
• 4.3.1 相对阶定义
• 4.3.2 输入—输出线性化
• 4.3.3 系统的局部稳定性
• 4.4 系统的输出跟踪控制
• 4.5 本章小结
• 第5章 大型空间机械臂关节的控制及仿真
• 5.1 引言
• 5.2 柔性关节的输入—输出线性化
• 5.3 反馈线性化系统输出跟踪控制律的设计
• 5.3.1 滑模控制方法简介
• 5.3.2 线性系统的滑模控制方法
• 5.3.3 线性系统的滑模控制方法
• 5.4 滑模控制算法的MATLAB仿真
• 5.5 输出跟踪控制的仿真结果
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢