柔性机械臂动力学建模和控制研究

综述了柔性机械臂动力学建模和动力学控制等相关问题,介绍了柔性机械臂动力学建模中的旋转代数法、基于Lagrange方程的方法及基于模型辩识的方法;介绍了柔性机械臂动力学控制中的PD控制、反馈控制、自适应控制、鲁棒控制、预测控制、非线性控制和智能控 制,最后详细介绍了柔性机械臂动力学控制中的混合控制及智能结构;指出在柔性机械臂动力学建模和动力学控制应解决的问题。这对包括柔性机械臂在内的多柔体系统动力学建模与控制问题的研究有一定的促进作用。      

柔性多体系统动力学研究现状与展望

对柔性多体系统动力学的研究现状进行了概括和总结,主要从柔性体建模方法、刚柔耦合动力学、接触碰撞问题、多物理场耦合、微分代数方程求解技术、控制方法、设计优化及软件开发和实验研究等几个研究方向进行总结,并对未来的研究方向做了展望.     

柔性多体系统动力学实验研究综述

介绍了国内外柔性多体系统动力学实验研究现状,分为三个方面,即理论模型验证实验、动力学特性的实验研究和其它实验.柔性多体系统动力学建模理论的发展经历了3个阶段:运动-弹性动力学(KED)方法、传统混合坐标方法和计及了动力刚化效应的各种非线性理论.关于这些理论的模型验证实验均在本文中作了重点介绍.文中还对柔性多体系统动力学性态的研究实验也作了介绍,包括系统模态特性和共振等非线性力学行为.关于机械臂控制和碰撞研究实验虽有提及,但不作为重点.随后,着重介绍了柔性体弹性振动位移的测量和阻尼因素的处理这两个在实验不可避免但又难以解决的问题,尤其是结构阻尼和大范围运动引起的空气阻力.最后指出了今后的研究方向.文中对一些较为重要的实验装置也着重予以介绍,并给出了部分实验图片及数据曲线,以给读者一个更好的理解和参考.      

平流层飞艇动力学与控制研究进展

本文简要介绍了飞艇的发展沿革和研究现状. 通过同传统的航空器、航天器、潜艇和低空飞艇进行比较, 阐述了平流层飞艇的飞行原理. 从基本运动模型和复杂受力情况的角度, 系统地讨论了飞艇动力学研究进展, 包括空气动力学研究、静力分析、热力学分析、柔性体动力学及流固耦合研究. 然后综述了飞艇控制方法研究进展, 包括小扰动线性化控制、输入输出反馈线性化控制、基于Lyapunov 非线性稳定性的控制及其他控制方法. 最后展望了在平流层飞艇动力学与控制领域需要从6 个方面加强研究.      

航天器动力学与控制的研究进展与展望

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用, 其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行. 航天器技术发展迅速, 其形式日趋多样化, 功能与构造日趋复杂,已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展. 航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境, 以及大尺度柔性结构等特征, 由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究. 航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真, 以及实验模拟等诸多方面, 研究内容十分丰富. 本文概括介绍了近年来航天器动力学与控制研究方面的发展状况, 综述了跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制、航天器部件级动力学与振动控制等航天领域中的若干基础问题. 内容主要集中于航天领域中不同应用范围、不同层次结构的航天器动力学模型的建立和动力学响应与振动控制的研究方法及已取得的成果. 最后, 提出了该领域中值得进一步考虑的科学问题及未来的发展方向.      

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等. 近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学 建模与计算,还涉及其动力学优化设计. 事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法. 本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何 精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法. 系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和 拓扑优化 3 个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展. 本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.      

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).      

柔性多体系统动力学研究动态

本文主要对国外在柔性多体系统动力学领域中进行的研究进行了简要综述和介绍，同时也介绍了一些国内的情况，并提出了该领域中存在的问题。     

柔性多体系统动力学研究及存在的问题

本文对柔性多体系统动力学研究领域中动力学模型的建立、求解以及该领域中存在的问题进行了简要综述。     

柔性铰柔性杆机器人动力学建模、仿真和控制

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.      

具有刚-柔-液-控耦合的航天器动力学研究进展

从现代复杂航天器姿态非线性动力学、液体燃料晃动动力学与控制问题、航天器刚-柔耦合系统动力学建模问题、航天器刚-液耦合动力学、航天器刚-柔-液-控耦合动力学、充液航天器实验问题等方面概述了近年来国内外在充液航天器多体耦合动力学相关领域的最新研究进展. 分别从液体燃料晃动动力学建模问题、航天器刚-柔-液-控耦合系统非线性理论和方法、计算机数值仿真及物理实验问题等方面展望了有待进一步加强的研究课题.     

Redundant actuators to achieve minimal vibration trajectory tracking of flexible multibodies: Theory and application

We address the problem of inverse dynamics for flexible multibodies, which arises, in trajectory tracking control of flexible multibodies such as space manipulators and articulated flexible structures. Previous research has resolved this trajectory tracking problem by computing the system inputs for feedforward control of actuators at the joints. Recently, the use of distributed actuators like electro-strictive actuators in flexible structures has introduced a new dimension to this trajectory tracking problem. In this paper we optimally utilize such actuators to aid joint actuators for tracking control, and introduce a new inverse dynamics scheme for simultaneously (1) tracking a prescribed trajectory and (2) minimizing ensuing elastic deflections. We apply this scheme for trajectory tracking of a two-link two-joint planar manipulator with joint motors and distributed electro-strictive actuators. Experimental results are presented to contrast our new scheme with other existing methods.     

绳索系统的建模、动力学和控制

绳索系统具有无限自由度,当计入非线性因素的作用时,其面内和面外的振动相互耦合,呈现非常丰富的非线性动力学行为.另外,绳索系统经常工作在风、流体、微重力、电磁力等作用下,进一步加剧了其动力学的复杂性.绳索系统的动力学现象引起了工程界和力学界的关注.本文对绳索在重要工程系统中的应用及相应的动力学现象进行概述,给出了柔索的动力学建模过程,对绳索系统的动力学和控制研究进行了总结,并指出了值得进一步关注的若干问题.      

柔性多体系统动力学绝对节点坐标方法研究进展

阐述了多体系统动力学理论的研究背景,指出了多种传统的柔性多体系统动力学研究方法的不足.系统地从4个方面回顾了柔性多体系统动力学绝对节点坐标方法诞生十几年以来的研究进展,即:单元研究进展、系统动力学方程求解数值算法研究进展、非线性材料多体系统动力学研究进展以及相关的应用研究进展.最后提出了值得进一步研究的问题.      

Effect of the deformation in the inertia forces on the inverse dynamics of planar flexible mechanical systems

The inverse dynamics problem for articulated structural systems such as robotic manipulators is the problem of the determination of the joint actuator forces and motor torques such that the system components follow specified motion trajectories. In many of the previous investigations, the open loop control law was established using an inverse dynamics procedure in which the centrifugal and Coriolis inertia forces are linearized such that these forces in the flexible model are the same as those in the rigid body model. In some other investigations, the effect of the nonlinear centrifugal and Coriolis forces is neglected in the analysis and control system design of articulated structural systems. It is the objective of this investigation to study the effect of the linearization of the centrifugal and Coriolis forces on the nonlinear dynamics of constrained flexible mechanical systems. The virtual work of the inertia forces is used to define the complete nonlinear centrifugal and Coriolis force model. This nonlinear model that depends on the rate of the finite rotation and the elastic deformation of the deformable bodies is used to obtain the solution of the inverse dynamics problem, thus defining the joint torques that produce the desired motion trajectories. The effect of the linearization of the mass matrix as well as the centrifugal and Coriolis forces on the obtained feedforward control law is examined numerically. The results presented in this investigation are obtained using a slider crank mechanism with a flexible connecting rod.     

空间机械臂动力学与控制研究进展

综述了近年来国内外在空间机械臂动力学与控制研究领域内的最新进展．包括路径规划的逆动力学、挠性影响、自适应控制及最优控制,以及工作空间等方面的研究状况和展望      

Control structure interaction in the nonlinear analysis of flexible mechanical systems

The effect of the control structure interaction on the feedforward control law as well as the dynamics of flexible mechanical systems is examined in this investigation. An inverse dynamics procedure is developed for the analysis of the dynamic motion of interconnected rigid and flexible bodies. This method is used to examine the effect of the elastic deformation on the driving forces in flexible mechanical systems. The driving forces are expressed in terms of the specified motion trajectories and the deformations of the elastic members. The system equations of motion are formulated using Lagrange's equation. A finite element discretization of the flexible bodies is used to define the deformation degrees of freedom. The algebraic constraint equations that describe the motion trajectories and joint constraints between adjacent bodies are adjoined to the system differential equations of motion using the vector of Lagrange multipliers. A unique displacement field is then identified by imposing an appropriate set of reference conditions. The effect of the nonlinear centrifugal and Coriolis forces that depend on the body displacements and velocities are taken into consideration. A direct numerical integration method coupled with a Newton-Raphson algorithm is used to solve the resulting nonlinear differential and algebraic equations of motion. The formulation obtained for the flexible mechanical system is compared with the rigid body dynamic formulation. The effect of the sampling time, number of vibration modes, the viscous damping, and the selection of the constrained modes are examined. The results presented in this numerical study demonstrate that the use of the driving forees obtained using the rigid body analysis can lead to a significant error when these forces are used as the feedforward control law for the flexible mechanical system. The analysis presented in this investigation differs significantly from previously published work in many ways. It includes the effect of the structural flexibility on the centrifugal and Coriolis forces, it accounts for all inertia nonlinearities resulting from the coupling between the rigid body and elastic displacements, it uses a precise definition of the equipollent systems of forces in flexible body dynamics, it demonstrates the use of general purpose multibody computer codes in the feedforward control of flexible mechanical systems, and it demonstrates numerically the effect of the selected set of constrained modes on the feedforward control law.