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空间机械臂变刚度关节及柔顺控制研究

空间机械臂变刚度关节及柔顺控制研究

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作者：吴星宇北京邮电大学

学位级别：硕士

空间机械臂承担了越来越多的空间在轨任务,因此会频繁地与其他航天器接触或者抓捕目标。在与航天器接触以及目标抓捕过程中,空间机械臂不可避免地会受到碰撞或者冲击,此时自由漂浮空间机械臂动力学参数的变化会导致基座姿态稳定性能降... 详细信息

空间机械臂承担了越来越多的空间在轨任务,因此会频繁地与其他航天器接触或者抓捕目标。在与航天器接触以及目标抓捕过程中,空间机械臂不可避免地会受到碰撞或者冲击,此时自由漂浮空间机械臂动力学参数的变化会导致基座姿态稳定性能降低。针对这一问题,本论文提出了一种新的基于变刚度技术的柔顺控制算法,将变刚度关节引入空间机械臂中,根据拉格朗日动力学方法建立变刚度关节空间机械臂的动力学模型,并设计了软抓捕控制算法减小基座的角动量。具体工作如下:首先,建立了位置和刚度分别由不同电机控制的变刚度关节的虚拟样机。其次,将所设计的变刚度关节引入空间机械臂中,建立了基座位置和姿态皆不受控的变刚度关节漂浮基空间机械臂系统的运动学及动力学模型,并基于Matlab软件平台进行仿真,验证模型的正确性。同时,对变刚度关节漂浮基空间机械臂碰撞前和碰撞后阶段的动力学进行分析,为后文的软抓捕控制策略研究打下基础。然后,以推导的变刚度关节漂浮基空间机械臂系统的动力学方程为基础,基于元胞自动机差分进化算法,设计了多自由度变刚度关节漂浮基空间机械臂的柔顺控制策略。由于基座和关节具有耦合性,以基座和所有关节的角速度最小为准则设计目标函数。利用元胞自动机差分进化算法求解出期望关节刚度值进而实现缓冲减小基座角动量。通过平面两自由度空间机械臂系统进行仿真,验证了所提出的控制策略的有效性。最后,由于关节刚度值与刚度调节电机的转角具有非线性的函数关系,对关节刚度值的控制问题就转换为对刚度调节电机的转角控制。考虑到外扰以及系统参数的变化,针对刚度调节电机提出一种自适应反演滑模控制方法,使实际关节刚度值跟踪上期望关节刚度值。基于Simulink软件平台进行仿真,验证了控制方法的有效性。总结研究成果,并进行展望。

关键词：空间机械臂变刚度耦合角动量元胞自动机差分进化自适应反演滑模

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