柔性关节柔性臂杆机械臂动力学建模与振动抑制研究

摘要

随着航天科技的迅猛发展，人类对太空的探索不断深入，空间机器人技术将会发挥越来越重要的作用。受发射条件的限制，要求空间机械臂质量尽可能轻，而为到达较大的操作空间，所设计的机械臂臂杆尺寸一般较长，导致机械臂的柔性不能忽略。柔性的存在会引起结构的振动，不但不能完成操作任务，还有可能引起系统的损坏。本文以柔性关节柔性臂杆空间机械臂为对象，建立动力学模型，开展振动特性分析，并研究振动抑制的控制方法。
　　空间机械臂由关节及连杆组成，关节和臂杆的变形都会引起末端的振动。根据不同的设计结果，关节柔性和臂杆柔性的影响程度不同，因而将实际的柔性空间机械臂分为柔性关节-刚性臂杆、刚性关节-柔性性臂杆及柔性关节-柔性臂杆三种类型，并推导了相应的动力学模型。建模中，柔性关节等效为一个线性弹簧，而臂杆采用Euler-Bernoulli梁来模拟，并通过假设模态法对其变形量进行描述，基于拉格朗日法推导了上述三种类型柔性机械臂的动力学方程。进而，对动力学方程进行求解，并推导了关节及末端振动方程，分析了不同参数条件下的振动特性，为机械臂的设计和控制提供理论依据。
　　基于所建立的动力学模型和振动方程，研究了关节柔性参数的辨识方法以及振动抑制方法。将柔性机械臂参数辨识问题转换为非线性优化问题，采用粒子群算法辨识了关节的刚度系数和转动惯量，以及臂杆的弹性模量和转动惯量。结合辨识出的上述柔性参数，开发了基于输入成形的振动控制算法。最后，开发了单关节单臂杆的柔性机械臂样机及其实验系统，并通过样机实验，得到了关节振动、臂杆振动、末端位置等数据，以用于柔性参数的辨识，利用该实验系统，还验证了所开发的振动抑制控制算法。

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第1章绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究的目的及意义

1.3 国内外相关技术发展现状

1.4 本课题的主要研究内容

第2章柔性机械臂分类及其动力学建模

2.1 引言

2.2 柔性空间机械臂的组成及分类

2.3 柔性关节-刚性杆机械臂动力学建模

2.4 刚性关节-柔性杆机械臂动力学建模

2.5 柔性关节-柔性杆机械臂动力学建模

2.6 本章小结

第3章三种类型柔性机械臂的振动特性研究

3.1 引言

3.2 柔性关节-刚性臂杆机械臂振动特性分析

3.3 刚性关节-柔性杆机械臂振动特性分析

3.4 柔性关节-柔性臂杆机械臂振动特性分析

3.5 本章小结

第4章机械臂柔性参数辨识与振动抑制方法研究

4.1 引言

4.2 柔性参数辨识

4.3 柔性机械臂振动控制研究

4.4 本章小结

第5章柔性机械臂样机开发及实验研究

5.1 引言

5.2 实验系统样机搭建

5.3样机性能测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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