空间机械臂捕获非合作目标过程的动力学建模与顺应控制

作     者：郑海潮 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何俊

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：空间抓捕 非合作目标 机械臂 动力学 顺应控制 

摘      要：随着地球资源日益减少和科学技术的发展,人类对于外太空的探索越来越深,越来越广。随之而来的是航天器的维修、服务以及太空垃圾的处理问题。本文结合国家自然基金项目“空间非合作目标捕获机构动刚度在轨识别及接触顺应机理的要求,以空间非合作目标捕获过程为背景,围绕创新捕获机构、抓捕过程的动力学以及顺应控制理论展开理论研究和实验验证。针对空间非合作目标抓捕及操作的执行机构需求,基于G集理论发明了一种新型冗余自由度空间机械臂。提出串联等效方法,对其进行运动学和工作空间分析。分析表明机械臂具有刚度高、工作空间大、灵活性强等特点。针对空间抓捕过程中的动力学问题,将机械臂串联部分作为并联部分的负载,使用牛顿-欧拉法完成动力学分析,解算机械臂各驱动关节的力/力矩以及约束力/力矩,建立了迭代计算模型,提高了计算效率。针对空间非合作目标抓捕过程中的稳定力控制要求,建立了基于导纳原理的包含运动估计模块及动力学前馈模块的顺应控制模型。并在三种环境中进行理论验证仿真实验:Simulink中的全数字模型、Simulink-UG虚拟半物理仿真模型以及实物全物理平台实验。仿真及实验结果证明了顺应控制模型的有效性和稳定性。