水下柔性机械臂的动力学及控制方法研究

摘要

随着航天宇航技术的不断发展，空间机械臂的应用越来越广泛，已经逐渐成为人类探索和研究太空知识的重要工具。为了保证空间机械臂具有大范围的作业空间和较轻的自身重量，空间机械臂多设计为柔性结构，所以在空间机械臂的工作过程中会不可避免的出现振动。如何准确的描述空间机械臂的振动并从控制方法的角度去最大程度的减少其带来的不利影响是研究空间机械臂性能需要解决的主要问题。 为了模拟太空中微重力甚至失重的环境下机械臂的运动状态，本文采用水浮法设计了一种水下六自由度柔性机械臂的样机系统，将机械臂放入水中，用于在地面上开展模拟太空环境的试验研究。 首先，根据设计要求在Solidworks中建立机械臂样机的三维模型，阐述了机械臂各部件之间的安装方式。根据机械臂的实际使用环境选取了臂杆的材料，然后在simulation插件中进行了静力学分析，校核了机械臂的强度。 其次，介绍了机械臂的正运动学及逆运动学的相关知识，基于旋转矩阵法，对机械臂样机的运动学进行了分析，得出了工作空间的图像。 再次，基于本文所述六自由度柔性机械臂样机模型的特点，将其简化为柔性双连杆、刚—柔性双连杆机械臂进行动力学建模。将柔性杆看做是欧拉-伯努利梁，描述了机械臂上任意一点的位置，推导出了机械臂的动能、势能、质量矩阵及广义力的表达式，运用假设模态法描述机械臂的变形，然后使用拉格朗日动力学方程求得了柔性双连杆机械臂及刚—柔性双连杆机械臂的动力学模型。 然后，使用流体仿真软件FLUENT计算出了机械臂在全伸直状态下水阻力对速度的方程，利用有限元分析软件ANSYS建立了柔性部件的模型，导入ADAMS后对各关节添加驱动函数，仿真后得到了驱动各关节达到指定转速所需要的力矩的图像，为后续研究奠定了理论基础。 最后，设计了一种基于模糊自整定原理的PID控制器，推导出了模糊论域、模糊子集、隶属函数、模糊规则等重要概念，通过ADAMS-Matlab/simulink联合仿真平台进行控制系统的仿真，模拟了六个关节联动时的状态，然后通过比较模糊自整定PID控制器与常规PID控制器的控制效果，验证了六自由度柔性机械臂系统中模糊自整定PID控制算法性能的优越性。根据技术要求中的振动频率指标，在全伸直状态下给定了关节角的输入曲线，得出了Z轴方向上的误差曲线，验证了模糊自整定PID控制器系统的可靠性。

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