空间大负载机械臂轨迹追踪制度研究

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1、空间大负载机械臂轨迹追踪制度研究第一章绪论1.1研究背景与意义　　空间大负载机械臂轨迹追踪制度研究第一章绪论1.1研究背景与意义随着空间探索的不断深入，空间在轨操作任务变得越来越繁重复杂，如进行在轨卫星和大型空间站的服务、构建和维修等，这些任务仅仅依靠宇航员来完成是远远不够的，而且宇航员出舱活动耗费很大。此外，由于空间环境具有强福射、高温差及超真空的特点，使得宇航员出舱活动存在很大危险，利用空间机械臂替代或协助宇航员完成空间任务可以在保证宇航员生命安全的前提下，提高作业效率，节省作业费用因此，空间机械臂在未来的

2、空间探索活动中将扮演越来越重要的角色。由于空间机械臂具有跨度大、轻质杆等特点，空间机械臂在运行过程中会表现出明显的柔性特性。同时，空间机械臂在轨操作过程中，特别是进行目标捕获与对接过程中，对空间机械臂提出了末端运动精度高，响应速度快等高要求，这就要求在考虑柔性条件下建立精确的空间机械臂动力学模型。此外，空间机械臂在负载情况下，其柔性变形更为明显，因此建立精确空间机械臂柔性动力学模型是进行空间大负载柔性机械臂轨迹跟踪控制的基础。空间机械臂在进行大型裕架结构组装与空间站构建过程中，其需要操作具有大质量和大惯量的漂浮

3、目标，这使得空间机械臂的柔性特性表现的更为明显，其动力学响应表现为大范围刚性运动叠加自身弹性振动的刚柔稱合特性，而这种柔性特性将直接影响到空间机械臂的末端控制精度，使得机械臂不能跟踪预定的末端轨迹。因此，合理的考虑空间机械臂柔性的影响，幵展空间大负载柔性机械臂的轨迹跟踪策略研究，对未来空间探索，特别是空间机械臂的在轨应用技术具有十分重要的科学意义和理论价值。近年来，美国、日本、加拿大等航天强国均对空间大负载柔性机械臂的关键技术，如运动学及路径规划、动力学建模与分析、控制理论和算法等，幵展了相关研究，并已投入使用

4、了各种用途的空间大负载柔性机械臂系统。但是，空间大负载柔性机械臂的使用状况并不尽如人意，这与其机械臂系统自身的结构和动力学特性有关。与地面机械臂相比，空间大负载柔性机械臂具有微重力、大跨度、轻质量、大自重比和低阻尼的特点，这使得其动力学响应表现为大范围刚性运动叠加自身弹性震动的刚柔糊☆特征，且系统的振动被激发将无法快速衰减。1.2空间大负载柔性机械臂国内外研究现状由于在轨操作空间机械臂具有跨度大、轻质杆等特点，其在运行过程中会表现出明显的柔性特性。同时，空间机械臂在轨操作过程中，特别是进行目标捕获与对接过程中，

5、对交问机械臂提出了末端运动精度高，响应速度快等高要求，而空间机械臂的关节柔性和臂杆柔性的存在将会对空间大负载柔性机械臂带来高频谐振、非线性偶合及响应滞后等问题[8]，这就耍求在考虑柔性条件下建立精确的空间大负载机械臂动力学模型。空间大负载柔性机械臂变形的描述是其动力学建模与控制的基础，山于空间柔性机械臂属于多柔性动力学建模问题，并且为了描述柔性体运动问题的方便，其空间坐标系的建立往往具有多样性，所以空间大负载柔性机械臂变形的描述一般根据其相对的坐标系可以分为相对局部坐标系的描述方法与相对全局坐标系(即惯性系）的

6、描述方法。其中相对全局坐标系的方法是在全局坐标系下描述柔性机械臂的刚柔稱合运动[9]，该方法比较容易理解，但是表达式的形式过于复杂，而且为了满足全局坐标的要求，需要增加柔性机械臂系统广义坐标的数目和复杂难解的系统约束方程，使后面柔件机械臂动力学方程的推导更加复杂。综上所述，本文针对空问机械臂自由度数较多且构型较为复杂的特点，使用局部坐标系的描述方法，这种方法是在机械臂的关节坐标系下分别描述柔性机械臂的刚性转动和弹性振动，虽然其需要比较复杂的坐标系变换过程，但是会使后面动力学模型的建立简单许多。集中质量法，顾名思

7、义，就是将柔性机械臂的整体质量分散集中到有限个节点上，每个节点间用类似于有限段法的具有柔性的元件连接，而且整个柔性机械臂所受到的载荷也分布到各个节点上用该方法来离散化柔性机械臂的变形场比较简单，但是却会带来建模精度低的问题。假设模态法以Rayleigh-Ritz法为基础，首先对柔性机械臂进行合理的假设，将其等效为欧拉伯努利梁模型，然后基于机械振动分析方法和柔性梁的边界条件，推导出柔性梁的振动方程，进一步求解出柔性机械臂的振型函数和各阶模态表达式，再采用模态截断技术，选取柔性机械臂振动能量最大的前几阶模态来表示柔

8、性机械臂的振动变形。假设模态法的优点是求解过程屮方程的复杂度较低，能够满足机械臂控制的实时性。第二章空间大负载柔性机械臂运动学与动力学建模2.1引言由前面空间七自由度大负载柔性机械臂的构型分析可知，其在构型上主要山两个柔性臂杆和七个旋转关节组成，而机械臂在操作大负载时整个机械臂系统的柔性变形全部来自于臂杆自身的柔性变形。因此在建立空间大负载柔性机械臂运动学模型时，柔性变形对系统运动学模