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自由浮动空间柔性双臂机器人系统动力学建模与控制研究

张承龙  
【摘要】: 近年来,空间柔性机器人的建模和控制受到了广泛的研究,与传统的刚性机器人相比,柔性机器人具有耗能小、操作空间大、负载重等特点。但由于它结构的特殊性,机械臂在运动中会发生变形和振动,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的动力学建模和控制问题,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协调操作刚性负载的动力学模型,并利用计算力矩法实现了其轨迹跟踪控制。 接着,针对空间柔性机械臂的弹性形变和振动问题,本文设计了LQ最优控制器对其进行振动主动控制,并通过大量的仿真结果证明了方法的有效性。其次,本文研究了自由浮动空间柔性双臂机器人系统轨迹跟踪的鲁棒控制问题,采用奇异摄动法将系统模型分离为慢变和快变两个子系统,对二者分别采用滑模变结构控制和PD控制,由此得到的组合控制使系统能较好地跟踪期望轨迹,抑制弹性振动。 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形,本文制作了基于MATLAB的动力学可视化仿真平台和基于OpenGL的动力学可视化仿真平台并进行了仿真验证。


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