柔性关节柔性臂杆机械臂动力学建模与振动抑制研究

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1、硕士学位论文柔性关节柔性臂杆机械臂动力学建模与振动抑制研究THEDYNAMICSMODELINGANDVIBRATIONSUPPRESSIONRESEARCHOFFLEXIBLEJOINT-FLEXIBLELINKMANIPULATORS杨益波哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP24学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工学硕士学位论文柔性关节柔性臂杆机械臂动力学建模与振动抑制研究硕士研究生:杨益波导师:徐文福副教授申请学位:工学硕士专业:机械电子工程所在单位:深圳研究生院答辩日期:2015年06月授予学位单位:哈尔滨工业大学Class

2、ifiedIndex:TP24U.D.C:629.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHEDYNAMICSMODELINGANDVIBRATIONSUPPRESSIONRESEARCHOFFLEXIBLEJOINTFLEXIBLELINKMANIPULATORSCandidate：YangYiboSupervisor：AssociateProf.XuWenfuAcademicDegreeAppliedfor：MasterDegreeinEngineeringSpeciality：MechatronicsEngin

3、eeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着航天科技的迅猛发展，人类对太空的探索不断深入，空间机器人技术将会发挥越来越重要的作用。受发射条件的限制，要求空间机械臂质量尽可能轻，而为到达较大的操作空间，所设计的机械臂臂杆尺寸一般较长，导致机械臂的柔性不能忽略。柔性的存在会引起结构的振动，不但不能完成操作任务，还有可能引起系统的损坏。本文以柔性关节柔性臂杆空间机械臂

4、为对象，建立动力学模型，开展振动特性分析，并研究振动抑制的控制方法。空间机械臂由关节及连杆组成，关节和臂杆的变形都会引起末端的振动。根据不同的设计结果，关节柔性和臂杆柔性的影响程度不同，因而将实际的柔性空间机械臂分为柔性关节-刚性臂杆、刚性关节-柔性性臂杆及柔性关节-柔性臂杆三种类型，并推导了相应的动力学模型。建模中，柔性关节等效为一个线性弹簧，而臂杆采用Euler-Bernoulli梁来模拟，并通过假设模态法对其变形量进行描述，基于拉格朗日法推导了上述三种类型柔性机械臂的动力学方程。进而，对动力学方程进行求解，并推导了关节及末端振动方程，分析了不同参数条件下的振动

5、特性，为机械臂的设计和控制提供理论依据。基于所建立的动力学模型和振动方程，研究了关节柔性参数的辨识方法以及振动抑制方法。将柔性机械臂参数辨识问题转换为非线性优化问题，采用粒子群算法辨识了关节的刚度系数和转动惯量，以及臂杆的弹性模量和转动惯量。结合辨识出的上述柔性参数，开发了基于输入成形的振动控制算法。最后，开发了单关节单臂杆的柔性机械臂样机及其实验系统，并通过样机实验，得到了关节振动、臂杆振动、末端位置等数据，以用于柔性参数的辨识，利用该实验系统，还验证了所开发的振动抑制控制算法。关键词：柔性机械臂；动力学建模；振动特性分析；样机实验系统搭建；输入成形；振动抑制-I

6、-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththerapiddevelopmentofaerospacescienceandhumanexplorationinspace,thespacerobottechnologywillplayanincreasinglyimportantrole.Restrictedbythefiringconditions,thequalityofspacemanipulatorshouldbeaslightaspossible.Andtoreachthelargeoperatingspace,thedesignsizeofm

7、anipulatorlinksaregenerallylongwhichleadtothenon-ignorableflexibilityofmanipulator.Theflexibilityofthemanipulatorswillleadtothevibrationofthemanipulator’send-effector,whichnotonlyaffectingtheexecutionofthetaskbutalsocreatingthesafetyproblems.Inthispaper,thedynamicsmodelsandthevibrati