自由浮动空间柔性双臂机器人系统的动力学控制研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要近年来，空间柔性双臂机器人的研究受到了广泛的关注。由于柔性机械臂在运动中会发生变形和振动，同时考虑空间机器人在空间存在着很强的外界干扰和系统建模误差，这给空间柔性机器人的定位和跟踪控制带来了很多的问题。因此，针对自由浮动空间柔性双臂机器人动力学系统的振动和鲁棒性问题，本文进行了深入的研究，并进行了仿真实验论证。本文首先基于假设模态法、拉格朗日方程和动量守恒，推导了自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的动力学模型，并考虑系统存在建模误差情况下利用计算力矩法实现了末端执行器的轨迹跟踪。针对柔性机械臂的弹性振动和系统鲁棒性问题，采用一种基于Lyapunov第二

2、法的鲁棒跟踪控制和二次型最优混合控制方法，实现自由浮动空间柔性双臂机器人在轨迹跟踪中的振动主动控制，并通过仿真实验证明了该方法的有效性。其次，对于机械臂与刚性负载组成的闭链系统，本文采用一种基于TSK模糊模型的自适应控制和模态力混合控制方法，实现刚性负载的动力学轨迹跟踪的振动控制。此方法在有建模误差和干扰时，仍能使负载较好地跟踪期望轨迹，并具有较好的振动抑制效果。然后，针对系统在运动中仍存在较大的柔性振动，采用奇异摄动方法将自由浮动空间柔性双臂机器人开链和闭链系统都分别分解为慢变与快变两个子系统，并考虑系统存在建模误差和外界干扰情况时，分别对其进行轨迹跟踪控制和振动控制，改善鲁棒和振

3、动抑制效果。最后，为了形象地说明空间柔性双臂机器人系统各部分的运动情景，开发了基于MATLAB的可视化仿真平台和基于OpenGL的可视化仿真平台并进行了仿真验证。关键词：空间柔性双臂机器人，动力学建模，振动抑制，鲁棒控制，模糊自适应控制，奇异摄动i自由浮动空间柔性双臂机器人系统的动力学控制研究ABSTRACTOverthepastseveralyears,theresearchontheflexibledual-armspacerobothasattractedmuchseriousattention.Consideredtheelasticdeflectionandvibratio

4、nofflexiblemanipulators,andthesituationofmodelinguncertaintiesandexternaldisturbances,thepositioningandtrackingperformanceofflexiblerobotswilltendtobedegraded.Inthisthesis,thevibrationcontrolandrobustcontroloffreefloatingflexibledual-armspacerobotsaredealtwith,andplentyofsimulationtestsarecondu

5、ctedtoverifytheeffectivenessoftheproposedmethods.Firstly,onthebasisoftheassumedmodesmethod,Lagrangeprincipleandmomentumconservation,thedynamicmodelingofafree-floatingflexibledual-armspacerobotisderived,andinthepresenceofunwantedparametricandmodelinguncertainties,thetrajectorytrackinghasbeenperf

6、ormedbythecomputedtorquemethod.Afterthat,amixedapproachbyrobusttrackingcontrol,basedonthesecondmethodofLyapunov,usingsimplequantitativeboundsonthemodeluncertainties,andoptimalcontrolisdevelopedforreducingtheelasticdeflectionandvibrationofflexiblemanipulatorsinthetrajectorytrackingphase,andsomes

7、imulationresultsareconductedtoverifytheeffectivenessoftheproposedmethods.Secondly,thedynamicmodelingofthefree-floatingflexibledual-armspacerobotholdingarigidpayloadisderived.Andthetrajectorytrackingisperformedviaahybridcontrolofad