考虑行星齿轮间隙的空间机械臂关节动力学建模与控制策略研究

发布时间：2017-03-20 07:03

  本文关键词：考虑行星齿轮间隙的空间机械臂关节动力学建模与控制策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：关节作为空间机械臂系统的重要组成单元,目前被广泛应用于大型空间机械臂、太空机器人以及各类空间设备中。齿轮副间借助间隙发生相互作用,但随着间隙的增大,机械臂振动越来越剧烈,会影响机械臂的工作精度,甚至会导致机械臂执行任务失败。因此,系统开展考虑间隙的空间机械臂关节动力学特性分析以及控制策略研究工作具有重要的理论意义与应用价值。 面向空间机械臂在轨操作任务,以考虑行星齿轮间隙的空间机械臂关节为研究对象,本文重点对机械臂关节动力学建模与控制策略展开分析与研究,主要内容如下： 首先,建立了考虑间隙的空间机械臂关节动力学模型。在综合考虑轮齿柔性、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合误差等非线性因素的基础上,构建出空间机械臂关节动力学模型。 其次,提出了一种考虑间隙影响的行星齿轮传动关节模型高效求解方法。鉴于空间机械臂关节动力学模型参数的强非线性特点,在哈密顿体系下对模型进行求解,并进行仿真实验验证,完成了齿侧间隙、啮合刚度等非线性因素变化对关节动力学特性的影响分析。 最后,对空间机械臂关节控制策略进行研究。基于逆向补偿设计思想,设计了一种滑模控制器,实现了系统高精度轨迹跟踪,通过与PID控制策略进行对比,证明了滑模控制方法在系统稳定性及精确度方面的优势。同时,基于DOB扰动观测器结合滑模控制方法,补偿间隙对系统运动控制造成的影响。通过引入DOB扰动观测器减小间隙的非线性影响,并结合滑模控制策略进一步削弱DOB扰动观测器产生的未估干扰影响。
【关键词】：空间机械臂 行星齿轮 滑模控制 间隙 扰动观测器
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP241;TH132.425
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 研究背景与意义9-10
• 1.2 国内外考虑间隙的空间机械臂关节动力学研究现状10-15
• 1.2.1 考虑间隙的空间机械臂关节动力学建模研究现状11-12
• 1.2.2 空间机械臂关节动力学模型求解方法研究现状12-14
• 1.2.3 考虑间隙补偿的空间机械臂关节控制策略研究现状14-15
• 1.3 本文主要研究内容及结构安排15-17
• 第二章 考虑间隙的空间机械臂关节动力学建模17-25
• 2.1 引言17
• 2.2 考虑间隙的关节动力学模型17-19
• 2.3 考虑间隙的关节动力学运动微分方程19-21
• 2.4 空间机械臂关节动力学模型参数计算21-24
• 2.4.1 时变啮合刚度的计算22
• 2.4.2 啮合阻尼的计算22-23
• 2.4.3 综合啮合误差的计算23
• 2.4.4 齿侧间隙的计算23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 第三章 考虑间隙的空间机械臂关节动力学特性分析25-33
• 3.1 引言25
• 3.2 空间机械臂关节动力学模型求解25-28
• 3.2.1 关节动力学模型量纲化25-26
• 3.2.2 哈密顿体系下动力学模型求解26-28
• 3.3 参数对考虑行星齿轮间隙的关节模型动态特性影响28-31
• 3.3.1 齿侧间隙对系统响应的影响分析29-30
• 3.3.2 啮合时变刚度对系统的影响分析30-31
• 3.4 本章小结31-33
• 第四章 考虑间隙的空间机械臂关节控制策略研究33-55
• 4.1 引言33-34
• 4.2 考虑间隙影响的空间机械臂关节动力学模型34-36
• 4.3 空间机械臂关节滑模控制策略研究36-43
• 4.3.1 空间机械臂关节解耦控制器37-39
• 4.3.2 滑模变结构控制器设计39-41
• 4.3.3 滑模控制策略仿真与结果分析41-43
• 4.4 考虑间隙的空间机械臂关节DOB滑模控制策略研究43-49
• 4.4.1 DOB扰动观测器的设计43-46
• 4.4.2 基于DOB扰动观测的滑模控制器设计46-49
• 4.5 DOB滑模控制策略仿真与结果分析49-53
• 4.5.1 滑模变结构控制器设计与仿真分析49-51
• 4.5.2 DOB结合滑模控制策略参数设计与仿真分析51-53
• 4.6 本章小结53-55
• 第五章 总结与展望55-57
• 5.1 主要研究工作总结55
• 5.2 研究展望55-57
• 参考文献57-61
• 致谢61-62
• 攻读学位期间发表的学术论文62

【参考文献】

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本文编号：257334