基于力协调的空间机械臂主从控制系统设计与分析

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1、中图分类号：TP241.2论文编号：102871518-SZ020学科分类号：59065硕士学位论文基于力协调的空间机械臂主从控制系统设计与分析研究生姓名吴锡洲专业类别工程硕士专业领域航天工程指导教师居鹤华教授李爽教授南京航空航天大学研究生院航天学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAstronauticsDesignandAnalysisofMasterandSlaveControlSystemofSpaceManipulatorBasedonFo

2、rceCoordinationAThesisinMasterofEngineering,AstronauticalEngineeringbyWuXizhouAdvisedbyProf.JuHehuaProf.LiShuangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含

3、为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文摘要空间机械臂相对于一般的机械臂有以下几个特点：空间机械臂工作在动基座上；由于其工作在太空环境中，大部分情况下需要自主性运动，因此需要很高的可靠性，特定情况下需要大时延条件下的遥操作控制；另外，空间机械臂由于机电时延等对运动控制的稳定性和可控性会产生影响，因此需要进行力协调控制，提高

4、其动态性能，减小时延；由于星载计算机计算能力较弱，因此对动力学解算的计算量有限制。本文在前人研究的基础上，对空间机械臂动力学建模、机械臂力协调控制以及空间机械臂主从控制系统设计进行了相关研究。首先，本文建立6自由度解耦空间机械臂的以轴不变量（轴矢量及自然坐标）表示的迭代式正逆运动学模型及“Ju-Kane”法的正逆动力学模型，为机械臂多轴协调力位控制提供条件，使用C++编写仿真软件实现空间机械臂的运动学和动力学建模，并通过对比试验验证了方法的有效性和正确性。其次，本文采用模糊滑模控制方法对空间机械臂进行多轴协调控制，提高空间机械臂的动态性能，减小机电时延，并通过仿真实验进

5、行验证。然后，本文设计双边自适应控制器，通过在主从两端分别进行自适应控制，最终达到主从两端同步运动的目的，减小时延对系统稳定性和透明的影响。最后，编写控制仿真软件，进行仿真实验验证了空间机械臂主从控制算法的有效性。关键词：空间机械臂，动力学，Ju-Kane法，主从控制，自适应控制，模糊滑模控制I基于力协调的空间机械臂主从控制系统设计与分析ABSTRACTComparedwiththegeneralmanipulator,thespacemanipulatorhasthefollowingcharacteristics：Itworksonamovingbase.Becau

6、seofthespaceenvironment,theautonomousmotionisneededinmostcases,soitneedshighreliability.Inparticularcases,itneedsremotecontrolundertheconditionoflargedelay.Inaddition,theelectromechanicaldelaywillhaveanimpactonthestabilityandcontrollabilityofmotioncontrol.Therefore,theforcecoordinationco

7、ntrolisneededtoimproveitsdynamicperformanceandreducethetimedelay.Duetotheweakcomputingpowerofspacebornecomputers,theamountofcomputationfordynamiccomputationislimited.Thepastresearchonspacemaster-slavecontrolsystemhasmadesomeprogress,buttherearestillsomeproblems.Basedonthe