浮动基座空间机械臂系统的动力学建模与惯性轨迹跟踪的滑模控制

本文利用多刚体系统动力学方法对载体位置、姿态均不受控制的浮动基空间机械臂系统的运动学、动力学作了分析,并结合系统的动量与动量矩守恒关系建立了系统的动力学方程及运动的广义Jacobi关系。以此为基础,对空间机械臂末端抓手追踪惯性空间期望轨迹的控制问题作了研究。考虑到空间机械臂系统的结构复杂性及某些参数（如液体控制燃料的数量）的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了轨迹跟踪控制的变结构滑模控制方案。此控制方案的优点在于：在操作过程中不需要对空间机械臂载体的位置、姿态进行主动控制,因此将大大减少位置、姿态控制装置的燃料消耗。通过对平面三杆自由浮动空间机械臂系统的仿真计算,证实了文中提出的变结构滑模控制方案的有效性。     

多移动机械臂动力学建模及基于零空间的协作

当前机械臂需要完成的任务日益复杂，单个固定机械臂或者是移动机械臂已经不能满足需求，而多移动机械臂系统结合了移动基座的灵活性和多机械臂合作的高效性，引起了学术界的广泛关注．本文研究了在多个移动机械臂抬起目标物体后，移动平台因避障而改变移动轨迹导致与机械臂末端执行器产生相对位移时，如何利用零空间概念设计保持目标物体姿态稳定的控制方法．为验证该控制方法能适用于多移动机械臂系统，对其动力学进行建模，得到了与单机械臂系统形式一致的动力学方程．最后根据该控制方法，设计了多个移动机械臂协同搬运物体时保持物体稳定的控制律并进行了数值验证．     

空间机械臂捕获卫星过程的碰撞动力学模拟及镇定运动的鲁棒控制

讨论了漂浮基空间机械臂捕获未知运动目标卫星的接触碰撞动力学建模和接触碰撞后系统镇定运动的控制问题。利用第二类拉格朗日方法和牛顿-欧拉法分别建立了接触碰撞前漂浮基空间机械臂和目标卫星两分体系统的动力学模型;以此为基础借助于空间机械臂与目标卫星接触点间的运动几何关系、力传递关系,计算了接触碰撞所产生的影响效应;捕获卫星后,联立空间机械臂与卫星接触碰撞前的动力学模型,建立了接触碰撞后两系统组合体动力学模型;并设计了增广鲁棒控制算法,以对受碰撞冲击后处于不稳定的组合体系统进行镇定运动控制。上述控制方法能应用于空间机械臂载体位置不受控情况,并能使组合体系统控制方程关于卫星不确定参数呈线性化关系。最后,利用数值仿真模拟捕获过程系统运动状态,验证了上述鲁棒控制镇定运动的效果。     

漂浮基弹性基座空间机械臂的鲁棒控制

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置不受控、姿态受控的漂浮基空间机械臂系统关节空间控制问题.利用拉格朗日方法结合动量守恒定律建立了弹性基座漂浮基空间机械臂系统动力学方程,空间机械臂工作环境的特殊性使得理论数学模型和实际模型存在一定的模型误差,同时考虑到外部干扰,本文对理论模型进行了改进.基于李雅普诺夫稳定性理论,为具有模型误差和外部干扰的弹性基座空间机械臂设计了合理的鲁棒控制方案,并且进行了稳定性证明.由于建模过程结合了动量守恒定律,所以所设计的控制方案无需测量载体位置、移动速度和移动加速度.数值仿真结果证实了本文提出的控制方法的有效性和可行性.     

软体连续机械臂动力学建模与仿真

由于软体机械臂的质量是沿臂的长度连续分布,因此采用拉格朗日方法建立软体机械臂的动力学模型时,涉及计算复杂的积分运算,采用离散化的集中质量模型降低了计算的复杂性,但准确性不足.为了提高软体机械臂动力学建模与仿真的准确度和计算效率,本文采用模态方法对软体机械臂进行运动学描述,并从能量的角度分析软体机械臂动力学特性,研究发现...     

基于非线性级联系统的弹性关节空间机器人新型滑模控制

研究了双臂弹性关节空间机器人的改进型非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer,NDO)设计、新型自适应动态终端滑模控制和弹性振动抑制问题。首先,考虑空间机器人的关节弹性,基于非线性级联系统的结构建立弹性关节空间机器人模型,分为外环机械臂动力学和内环关节动力学,具有渐近稳定性。针对外环机械臂动力学模型,设计基于改进型NDO的新型自适应动态终端滑模控制算法。针对内环关节动力学模型,设计力矩反馈控制算法来抑制弹性关节振动。本文提出的基于非线性级联系统的自适应动态终端滑模控制算法具有良好的动态特性及较强的鲁棒性,可在关节柔性刚度较小情况下,快速完成弹性关节振动抑制,实现空间机器人轨迹的精确跟踪。系统仿真试验证明了本文控制算法的正确性。     

多尺度法在时滞弹性关节机械臂非线性振动问题中的应用

针对非线性弹性关节机械臂,研究传动过程中的时滞效应对机械臂系统周期振动的影响．本文改进了具有弹性关节的非线性机械臂动力学模型,引入时滞参数,应用多尺度法,得到系统的近似解析解,考察了时滞对机械臂系统周期运动的影响规律．数值软件计算结果表明解析解与数值解具有较好的吻合度．从而验证了本文多尺度方法的有效性和正确性．     

双臂空间机器人系统末端惯性空间轨迹的反馈跟踪控制

本文讨论了载体位置不受控制的双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的控制问题.结合系统的动量守恒关系对双臂空间机器人系统的运动学、动力学作了分析,推导出了系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的增广广义Jacobi关系.并以此为基础,给出在载体位置不受控制的情况下,惯性坐标系内双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的反馈跟踪控制规律.研究结果表明,在系统动力学模型及参数较精确确定的情况下,本文提出的控制方案能够有效地控制双臂空间机器人机械臂的末端抓手与载体姿态准确地完成指定的运动,而不需对其载体的位置进行主动控制.仿真计算结果证实了方法的有效性.     

基于非递推公式的机械臂正动力学的并行计算策略

利用Ｊｏｕｒｄａｉｎ原理来消除约束反力，并通过引入Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子释放约束，得到了机械臂正动力学非递推形式的计算模型．由于在这种模型中引进了一些冗余计算，因此减弱了方程中各计算量之间的依赖性，从而提高了模型的内在并行性．为了尽量减少并行计算所需处理器的数目，本文采用了求解规模缩减技术，并基于这个模型提出了一种面向Ｏ（ｎ）个处理器的机械臂正动力学的并行计算策略．最后以ＰＵＭＡ５６０机器人的前三个臂为例进行了计算效率分析     

多关节机械臂系统非线性动力学分析

针对工程机械臂的非线性振动,研究了系统因周期运动失稳而产生Hopf分岔问题．工程机械臂在建模时往往忽略非线性因素,然而在特殊场合下非线性的影响不可忽略,本文利用拉格朗日法建立了新的非线性两关节机械臂系统的两自由度动力学方程,采用多尺度法对机械臂系统模型进行了求解,对系统发生主共振时的动力学行为进行了分析讨论．结果表明所求得的近似解析解与数值解具有较好的吻合性,同时由于系统方程中非线性项的影响,随着激励幅值与激励频率的变化,系统的振幅会发生跳跃,出现动态分岔现象．本研究为实际工程应用提供了一些理论依据和指导．     

考虑冲击影响的空间机械臂捕获目标后实时观测滑模补偿镇定控制

分析漂浮基空间机械臂捕获目标受到的碰撞冲击影响效应及碰撞后的镇定控制.首先,建立空间机械臂多体系统的动力学模型.机械臂捕获目标过程所受的碰撞冲击将会引起不稳定运动,利用动量定理评估计算碰撞冲量对其运动状态的影响效应.而后,设计实时观测滑模补偿控制对受碰撞冲击后的不稳定空间机械臂系统进行镇定控制.最后,通过对空间机械臂捕获目标的碰撞冲击及镇定控制过程仿真,验证了控制算法的有效性.     

带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂主动控制

对带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂的主动控制进行了研究,给出系统的动力学方程,采用非线性解耦反馈控制方法分别得出系统大范围运动方程和柔性臂的动力学方程,采用机械臂逆动力学方法和LQR方法分别设计大范围运动控制律和压电作动器控制律.仿真结果显示,本文控制方法能够有效地进行机械臂的轨迹跟踪,柔性臂的弹性振动可以得到有效抑制.     

柔性机械臂两点边值逆动力学方法——理论分析和实验结果

基于最优控制模拟思想提出了柔性机械臂的两点边值逆动力学方法．应用柔性机械臂的两种动力学模型可实现机械臂的点 点位置运动或轨迹追踪，同时显著降低或消除了结构柔性对其精确定位的影响．数值仿真和实验结果同理论分析完全一致     

基于自然坐标的自由浮动空间机械臂动力学分析

利用一种新方法研究自由浮动空间机械臂动力[学问题,这种方法基于一种称为“自然坐标”的新坐标体系,导出用自然坐标表示的无力矩状态下空间机械臂初积分形式动力学方程,根据臂端设计轨迹,对空间机械臂进行逆动力学仿真计算,结果表明该方法是一种简便,高效的可行方法。     

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。      

带滑移铰空间机械臂运动规划的双向逼近方法

以双向逼近方法为基础,讨论了载体姿态与位置均不受控制的带滑移铰空间机器臂的运动规划问题．该方法利用系统的非完整动力学性质,仅通过对空间机器臂关节铰运动的控制,即可达到对载体姿态及机械臂关节位置的双重控制效果,从而减少了载体姿态控制燃料的消耗,有效延长了空间机械臂系统的使用寿命．系统数值仿真证明了该方法的有效性．     

绳驱桁架结构伸展臂的主动振动控制

伸展臂由于受到空间温度变化和卫星机动动作的影响,不可避免地会产生振动。在阻尼较低的空间环境中,这种振动衰减较慢,影响伸展臂的正常工作。因此,合适的振动控制方法对于伸展臂的正常工作至关重要。本文采用拉绳作为作动器的空间桁架结构伸展臂,研究其作动绳上铰链串联顺序的优化和模型预测控制律的设计,这两部分内容均考虑了作动绳的单边约束和饱和约束。首先,通过ANSYS软件获取结构的模态信息;然后结合系统可控性原理和遗传算法计算出作动绳上铰链串联最优顺序;最后,在数值仿真中,通过设计的控制率对一个由四个单元组成的桁架结构伸展臂的振动控制过程进行仿真分析。结果表明,提出的作动绳串联铰链的方式能够有效抑制伸展臂的振动。     

单杆柔性机械臂的控制仿真研究

本文应用模态控制理论，对柔性机械臂的主动控制问题中的动力学模型进行了研究。在小变形假设的前提下，考虑由于横向变形而引起的轴向位称位的影响，采用拉格朗日方程建立了计及动力刚化项的动力学模型，并将ＰＤ控制理论和方法应用于刻模型。最后，对一单杆柔性机械臂的振动控制进行了计算机仿真．     

空间机械臂抓取负载时最小冲击的研究

本文讨论空间机械臂冲击动力学问题,建立捕获得过程冲击动力学方程。导出负载质量,机械臂相对围角与碰撞冲量的关系,得到抓手在捕获过程所受冲击最小的系统铰空间位形,文中附有数值曲线。     

漂浮基空间机械臂基于双向映射神经元网络的逆运动学控制

基于双向映射神经元网络,讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基空间机械臂的运动学控制问题.为此,根据系统几何关系,结合系统动量守恒、动量矩守恒关系.分析、建立了空间机械臂的广义运动雅可比关系.以此为基础,利用双向映射神经元网络及李雅普诺夫直接方法,设计了一种收敛的空间机械臂逆运动学控制方法,以控制空间机械臂的末端位姿朝着惯性空间的期望位姿点运动.提出的控制方法的突出优点在于:既不需要确切知道空间机械臂运动雅可比矩阵的具体结构,也不需要了解系统动力学参数的相关信息.一个作平面运动的自由漂浮两杆空间机械臂系统的数值仿真,证实了方法的有效性.