自由浮动空间柔性双臂机器人系统的动力学控制研究

论文摘要

近年来,空间柔性双臂机器人的研究受到了广泛的关注。由于柔性机械臂在运动中会发生变形和振动,同时考虑空间机器人在空间存在着很强的外界干扰和系统建模误差,这给空间柔性机器人的定位和跟踪控制带来了很多的问题。因此,针对自由浮动空间柔性双臂机器人动力学系统的振动和鲁棒性问题,本文进行了深入的研究,并进行了仿真实验论证。本文首先基于假设模态法、拉格朗日方程和动量守恒,推导了自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的动力学模型,并考虑系统存在建模误差情况下利用计算力矩法实现了末端执行器的轨迹跟踪。针对柔性机械臂的弹性振动和系统鲁棒性问题,采用一种基于Lyapunov第二法的鲁棒跟踪控制和二次型最优混合控制方法,实现自由浮动空间柔性双臂机器人在轨迹跟踪中的振动主动控制,并通过仿真实验证明了该方法的有效性。其次,对于机械臂与刚性负载组成的闭链系统,本文采用一种基于TSK模糊模型的自适应控制和模态力混合控制方法,实现刚性负载的动力学轨迹跟踪的振动控制。此方法在有建模误差和干扰时,仍能使负载较好地跟踪期望轨迹,并具有较好的振动抑制效果。然后,针对系统在运动中仍存在较大的柔性振动,采用奇异摄动方法将自由浮动空间柔性双臂机器人开链和闭链系统都分别分解为慢变与快变两个子系统,并考虑系统存在建模误差和外界干扰情况时,分别对其进行轨迹跟踪控制和振动控制,改善鲁棒和振动抑制效果。最后,为了形象地说明空间柔性双臂机器人系统各部分的运动情景,开发了基于MATLAB的可视化仿真平台和基于OpenGL的可视化仿真平台并进行了仿真验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 空间柔性双臂机器人的研究目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 柔性机械臂的动力学建模
• 1.3.2 柔性机械臂的振动控制
• 1.3.3 空间柔性双臂机器人的协调控制
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的动力学建模
• 2.3 自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的运动特性
• 2.4 自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的轨迹跟踪控制
• 2.5 自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的仿真验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的鲁棒振动控制
• 3.1 引言
• 3.2 自由浮动空间柔性双臂机器人的鲁棒跟踪控制
• 3.2.1 鲁棒控制器
• 3.2.2 基于李氏第二法的稳定性分析
• 3.2.3 鲁棒控制仿真实验
• 3.3 自由浮动空间柔性双臂机器人的鲁棒振动控制
• 3.3.1 自由浮动空间柔性双臂机器人的最优控制
• 3.3.2 自由浮动空间柔性双臂机器人的最优控制仿真
• 3.3.3 鲁棒控制和最优控制混合控制仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 自由浮动空间柔性双臂机器人闭链系统的模糊自适应控制
• 4.1 引言
• 4.2 自由浮动空间柔性双臂机器人闭链系统的动力学建模
• 4.3 负载的动力学方程
• 4.4 自由浮动空间柔性双臂机器人闭链系统的动力学特性分析
• 4.5 自由浮动空间柔性双臂机器人闭链系统的位置/力混合控制
• 4.5.1 TSK 模糊模型
• 4.5.2 稳定性分析
• 4.6 自由浮动空间柔性双臂机器人闭链系统的动力学控制仿真
• 4.7 自由浮动空间柔性双臂机器人闭链系统的模态力振动控制
• 4.8 本章小结
• 第五章 自由浮动空间柔性双臂机器人系统的奇异摄动控制
• 5.1 引言
• 5.2 奇异摄动法基础
• 5.3 用奇异摄动法分解系统
• 5.3.1 自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的奇异摄动分解
• 5.3.2 自由浮动空间柔性双臂机器人闭链系统的奇异摄动分解
• 5.4 控制器设计
• 5.4.1 开链系统的控制器设计
• 5.4.2 闭链系统的控制器设计
• 5.5 仿真验证
• 5.5.1 开链系统的奇异摄动控制仿真
• 5.5.2 闭链系统的奇异摄动控制仿真
• 5.6 本章小结
• 第六章 自由浮动空间柔性双臂机器人系统的动力学控制可视化仿真研究
• 6.1 前言
• 6.2 基于MATLAB 的空间柔性双臂机器人系统的动力学控制可视化仿真
• 6.3 基于OpenGL 的空间柔性双臂机器人系统的动力学控制可视化仿真
• 6.4 结论
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学校期间发表的学术论文
• 附录