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空间柔性机械臂动力学建模分析及在轨抓捕控制

潘冬  
【摘要】:随着空间探索与开发的深入,未来的航天器将向着大型化、复杂化、高精度、长寿命的方向发展,空间机械臂的在轨应用将愈加广泛且重要。空间机械臂工作半径大、结构刚度低、负载质量变化范围广,臂杆及关节柔性特征明显,动力学特性呈现复杂的非线性,本文针对空间柔性机械臂系统的动力学建模、动态特性分析以及在轨抓捕目标控制等关键问题进行深入研究,为空间机械臂的机构设计、在轨应用奠定理论基础。 空间机械臂系统是典型的链式无根多体系统,由于臂杆柔性影响,在进行大范围刚性运动的同时伴随着小幅的柔性振动,呈现明显的刚柔耦合特性,本文基于递推算法建立了高效的空间刚性机械臂动力学模型,给出了动力学模型中惯量阵、雅克比矩阵等的递推形式表达式,可用于机械臂控制系统中。进一步基于拉格朗日分析方法和模态综合法建立了空间柔性机械臂动力学模型,可完成空间漂浮基柔体机械臂系统的动力学分析与计算。最终通过与商用软件对比验证了模型的正确性和高效性。 空间柔性机械臂系统动态特性分析,还需考虑关节柔性影响,由关节啮合刚度、间隙、摩擦等引入的非线性,是影响机械臂系统运动精度和平稳性的主要因素,建立精确的柔性关节动力学模型,是机械臂系统设计、特性分析和控制器设计调试的基础。本文提出了可综合考虑非线性刚度、间隙、摩擦等因素的关节动力学建模方法,建立了关节非线性动力学模型,并分析了间隙、摩擦、刚度等非线性因素对关节动力学特性的影响规律,进一步综合考虑分析了关节柔性和臂杆柔性对机械臂末端动力学响应的影响。 对目标载荷的成功抓捕是完成在轨服务的关键,针对具有大容差、软捕获特性的绳索式末端执行器,应用有限段离散化方法完成了柔性绳索动力学建模,分析了绳索离散化模型的参数选取原则,进一步引入绳索与目标间的非线性接触碰撞力和摩擦力模型,建立了末端执行器捕获动力学模型。设计了末端捕获冲击实验,验证了模型的正确性。所建绳索捕获动力学模型可充分考虑绳索的空间运动状态以及捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程,为绳索设计和捕获策略调试提供基础。 机械臂捕获目标时,不可避免的与目标间发生碰撞冲击,过大的冲击力不仅使基体姿态产生偏差,还可能使目标逃逸导致抓捕失败,针对机械臂抓捕目标过程,提出并实现了快速接近-慢速接触-速度跟踪(FA-SC-VT)末端捕获策略,并以建立的末端捕获动力学模型为基础进行捕获过程仿真分析,结果表明FA-SC-VT捕获策略与传统匀速捕获策略相比,可大幅减小机械臂末端产生的冲击力,并可有效的解决小质量目标捕获过程中的逃逸问题。进一步结合FA-SC-VT捕获策略设计了机械臂的关节阻尼控制器和阻抗控制器分别完成对合作目标和非合作目标的柔顺抓捕控制,相对于位置保持硬抓取,阻抗控制软抓取可有效减小末端与目标间的碰撞冲击力,减小对基体位姿的影响。


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