空间七自由度冗余机械手动力学建模与控制研究

 本篇论文是一篇机械硕士论文范文，空间机械臂的控制模式包括自由空间运动和与环境接触的力控制任务。而空间机械臂在辅助宇航员舱外活动(EVA)、在轨更换 ORU 以及物资转移等任务时，位置控制时完成这些空间任务的基础。自由运动阶段，控制系统采用位置控制，通常通过离线或者在线的路径规划得出机械臂的笛卡尔轨迹，从而控制机械臂运动到期望的位姿。

  3.1  引言

  3.2  冗余机械臂构型控制

  第 4 章  空间冗余机械臂增强混合阻抗控制研究

  结 论

  本课题来源于国家“863”某机械臂项目。课题主要开展空间冗余机械臂递推多体动力学，空间冗余机械臂控制的研究。本文中的研究成果如下所示：研究空间机械臂正向多体动力学。基于空间矢量描述的铰接体算法建立空间固定基座机械臂和空间漂浮基座机械臂的正向动力学模型，在 Sim Mechanics中建立该机械臂的动力学模型，仿真结果表明，本文研究的递推正向动力学算法计算精度高，效率高且稳定性好，其适用于半实物仿真系统中的机械臂动力学计算要求以及控制系统建模分析。提出了针对本文研究的空间七自由度冗余机械臂的构型控制策略，选取臂角为运动学目标函数，参数化机械臂的自运动。基于笛卡尔主任务以及扩展运动学任务(即臂角)，通过阻尼最小平方法得到奇异鲁棒性运动学逆解。同时，研究了机械臂的关节空间控制器的特点。仿真结果表明，基于该理论可以有效的控制冗余机械臂的运动。研究了针对空间自由飞行机器人协调控制，将机械臂对基座的扰动力作为姿态控制系统的反馈力，改善了基座姿态控制系统的品质。仿真结果表明这种将机械臂系统与基座视为一体的协调控制减小了基座姿态控制系统的能量消耗。 研究了空间冗余机械臂的增强混合阻抗控制，该阻抗控制策略结合基于运动学的构型控制以及混合阻抗控制理论。分析了该阻抗控制算法的力跟踪特性。并且提出基于增强混合阻抗控制的空间冗余机械臂的辅助对接策略。仿真结果表明，基于该算法的空间冗余机械臂在完成复杂情况下力控制任务时增加了与环境之间的柔顺性以及力控制方向上的力跟踪精度。研究了在空间机械臂的全数值仿真系统中验证冗余机械臂的位置控制、协调控制以及力控制。并且搭建了相应的数值仿真系统。本文根据机械臂实际控制系统建立的空间机械臂全数值仿真系统可以有效的验证控制系统理论的完备性，控制系统参数的实际意义以及分析控制系统各部分环节的关键作用。仿真实验结果表明，采用全数值仿真可以有效地进行空间冗余机械臂的控制研究，其克服了实物仿真的局限性。基于本文所建立的全数值仿真系统对于空间机械臂的半实物仿真以及实物仿真均具有较强的参考价值。结合目前工作中存在的问题，后期的研究将从以下几个方面进行：本文所研究的空间机械臂递推多体动力学主要应用于半实物实时仿真系统中模拟机械臂的运动情况。且算法的精度与实际机械臂的运动情况的一致性还有待进一步验证。基于增强混合阻抗控制理论的空间冗余机械臂的控制使机械臂存在第二柔顺面，因此如何对该柔顺面有效的施加力控制以及柔顺控制进而增加机械臂与环境之间的交互能力值得进一步深入研究。本文研究的空间冗余机械臂的控制算法仅在空间机械臂的全数值仿真系统中进行了验证，因此有必要进行实际实验验证。