面向空间目标抓捕的桁架式机械手设计及控制方法研究.pdf

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1、硕士学位论文面向空间目标抓捕的桁架式机械手设计及控制方法研究RESEARCHONDESIGNANDCONTROLMETHODOFTRUSS-SHAPEDMANIPULATORSFORGRASPINGOFSPACETARGETS梁国桢哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V443.4学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文面向空间目标抓捕的桁架式机械手设计及控制方法研究硕士研究生：梁国桢导师：黄海林助理教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年6月授

2、予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V443.4U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONDESIGNANDCONTROLMETHODOFTRUSS-SHAPEDMANIPULATORSFORGRASPINGOFSPACETARGETSCandidate：LiangGuozhenSupervisor：AssistantProf.HuangHailinAcademicDegreeAppliedfor：MasterDegr

3、eeinEngineeringSpeciality：MechatronicEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着航天科学技术的发展，世界各国对外太空的研究也在不断深入。目前空间中存在很多失效的航天器以及一些具有研究价值的小行星和陨石，对于这些非合作目标，需要对其进行在轨操作，

4、比如捕获后回收或者拖入坟墓轨道。因此，如何捕获太空中的非合作目标是空间机器人领域面临的重要挑战。在抓捕机械手对空间非合作目标进行抓捕的过程中，既要保证机械手能够抓牢目标，又要避免机械手的损坏，需要考虑刚度大、可靠性高的桁架式机构，并且机械手的抓捕控制算法也是一项非常重要的研究内容。本文设计了一种桁架式机械手，考虑其系统复杂性，并针对空间非合作目标抓捕任务，设计了桁架式机械手的控制算法，并对一些智能控制算法展开了深入研究，具体如下：针对空间非合作目标抓捕任务，并参考平面2R机构和平行四边形机构，设计了一种桁架式机械手。考虑

5、其动力学模型的复杂性，并为了实现其在抓捕过程中的安全控制，结合传统工业中广泛应用的PID控制和现代控制理论中的滑模控制，设计了类滑模控制算法，该控制算法能够保证机械手在自由运动期间具有精确和快速的跟踪能力，同时在机械手执行器力饱和后能产生慢速的过阻尼恢复运动。并在此基础上，进一步研究了位置型的阻抗控制算法，在位置控制器中加入加速度前馈补偿及高维滑模面，提高了控制精度，并进行了相应的仿真分析，验证了算法的有效性。为了对桁架式机械手的动力学建模误差进行估计补偿，深入研究了径向基函数(RBF)神经网络控制和扰动观测器，利用RB

6、F神经网络对非线性函数的逼近能力，去解决桁架式机械手的动力学建模误差问题，估计其动力学模型参数中的不确定项，并用扰动观测器来处理控制系统外部扰动以及RBF神经网络的估计误差。将这两者相结合，设计了一种位置控制器，通过构建李雅普诺夫函数证明了控制器的稳定性。此外考虑空间抓捕过程中，机械手与抓捕目标之间接触力的控制问题，结合RBF神经网络和扰动观测器的优势，设计了一种有较高力控制能力的阻抗控制器，并在MATLAB中构建仿真系统，对提出的算法进行了仿真分析。根据所设计的适用于空间非合作目标抓捕的桁架式机械手，并针对控制算法的实

7、验验证问题，完成了工程实验样机的制造及其控制系统的搭建，在该实验平台上对所设计的算法进行了实验验证。关键词：神经网络控制；滑模控制；扰动观测器；桁架式机械手-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofspacescienceandtechnology,theresearchofouterspaceintheworldisalsodeepening.Therearemanyinvalidspacecraftsandsomevaluableasteroidsandmeteori

8、tesinthepresentspace.Forthesenon-cooperativetargets,theyneedtobeoperatedonorbit,suchascapturerecoveryordraggingintothegraveorbits.Therefore,howtocapturethenonc