柔性智能空间机械臂振动主动控制机制研究

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1、中图分类号：V423.6论文编号：102870116-S059学科分类号：080104硕士学位论文柔性智能空间机械臂振动主动控制机制研究研究生姓名刘泽锋学科、专业工程力学研究方向振动主动控制指导教师陈卫东研究员邵敏强副教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一六年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonMechanismofActiveVibrationSuppressionforaSmartFlexib

2、le-joint-and-linkSpaceManipulatorAThesisinEngineeringMechanicsbyLiuZe-fengAdvisedbyProf.ChenWei-dongAssociateProf.ShaoMin-qiangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2016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

3、表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其它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：南京航空航天大学硕士学位论文摘要在空间技术大发展的背景下，众多高尖端柔性空间机械臂被越来越多地应用于深空探测、空间站技术等领域，对其动力学特性及控制方法的研究已成为迫在眉睫的需求。本文针对臂杆、关节均为柔性的空间机械臂系统，采用第二类Lagrange方程和假设模态法建立其欠驱动形式动力学模型。由于

4、系统不仅存在载体与臂杆、臂杆相互间刚性运动的耦合，还存在刚性运动与弹性振动、弹性振动相互间的耦合，系统方程呈现强耦合、高度非线性。基于系统双时间尺度特性，引入奇异摄动理论将系统分解为慢变和快变子系统，获得表示刚体运动和弹性振动的独立方程，实现了刚性运动与弹性振动间的解耦。此外，采用虚拟样机仿真分析软件ADAMS分别对柔性关节和柔性臂杆空间机械臂系统进行动力学仿真计算，并将结果与基于奇异摄动理论的数值解进行对比分析，说明数值算法的正确性及其在处理高刚度刚柔耦合问题上的优势。基于奇异摄动模型，通过对慢变和快变子系统的控制实现柔性空间机械臂的轨迹跟踪和振动抑制，获得高精度、高效

5、率的跟踪控制效果。针对慢变子系统，提出基于欠驱动模型的计算力矩法以实现轨迹跟踪；对快变子系统，在同时考虑关节和臂杆引起的的扭转振动及弹性振动的基础上，由关节驱动器和嵌入式压电作动器分别实现这两种振动的抑制。最后，数值计算结果表明所采用的控制方法能够快速实现轨迹跟踪，同时有效抑制系统关节的扭转振动及臂杆的弹性振动。关键词：柔性空间机械臂，奇异摄动，智能材料，振动主动控制，ADAMSI柔性智能空间机械臂振动主动控制机制研究AbstractAgainstthebackgroundofthegreatdevelopmentofspacetechnology,aneverincre

6、asingnumberofhigh-techsophisticatedmanipulatorsarecomingintouseinthefieldsofspacestationtechnologyanddeepspaceexploration.Asaconsequence,it’sessentialtostudythedynamicandcontrolcharacteristicsofflexiblespacemanipulators.Inthispaper,theunderactuatedmodelofasmartspacemanipulatorwithflexible

7、linksandjointsisestablishedbasedontheLagrangeequationandassumedmodelmethod.Afterwards,consideringthefactthattherigid-bodymotionandtheflexiblevibrationtakeplaceintwotimescales,thesystemisdecomposedintoaslowsubsystemandafastsubsystemwiththeuseofsingularperturbationmet