两自由度链状多体动力学建模及振动抑制研究

发布时间：2017-09-27 20:12

  本文关键词：两自由度链状多体动力学建模及振动抑制研究

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【摘要】：随着航天科技的高速发展,空间探测的活动不断深入,空间站作为其中集成化程度最高的大型航天器,对空间科学技术的发展做出了巨大的贡献。空间站在组建、维护及航天员出舱等阶段均需要由大型空间机械臂协助完成,现代空间操作往往要求空间机械臂具有响应迅速快及操作范围大等特点。挠性附件能够很好的满足这些要求,在显著提高执行空间操作任务的效率的同时,可以降低所需运载火箭的发射成本。但柔性空间机械臂因其质轻、低刚度等特点,在进行空间操作过程中会激起明显的低频振动。此类振动不仅造成机械臂末端执行器无法精确定位,同时系统处在微重力、低阻尼环境下,机械臂的振动会引起与之相联的航天器振动。本文以空间站双柔性杆空间机械臂为研究对象,主要展开漂浮基空间机械臂运动学、空间站转位动力学特性分析及柔性空间机械臂主动振动抑制方法研究。柔性空间机械臂属于典型的空间折展机构,其在进行空间操作之初需要从折叠状态展开至指定位置。空间站处于漂浮基状态,核心舱姿态和位置均不受控,机械臂的运动造成核心舱姿态的变化。本文以应用遗传算法对机械臂关节角轨迹进行了优化,以核心舱姿态欧拉角合成函数为目标函数,实现在全空间内寻找关节角轨迹函数最优值,实现空间机械臂展开过程基座姿态保持不变。柔性空间机械臂转位系统包括柔性臂杆及与之相连的大质量、大转动惯量刚体,属于多体动力学领域链状四体系统。本文应用Newton-Euler法建立了系统转动方程,应用Lagrange法建立了柔性体的振动方程。系统地分析了链状四体系统的动力学特性及柔性体振动特性,开发了基于MATLAB编程语言的动力学计算程序及模态分析程序,并分别与ADAMS、ANSYS软件中所建立的仿真模型进行了对比校验,验证了理论模型的正确性。根据模态分析所求的刚柔耦合系统的振动频率及阻尼,应用分力合成主动振动抑制方法,对机械臂关节控制力矩进行了设计,实现抑制振动的同时完成指定关节运动。由于系统结构时变所引起振动频率变化的情况及前馈控制方法对参数变化十分敏感,本文采用PD线性反馈解耦与分力合成前馈控制方法相结合的复合控制方法,实现了对关节角位移的轨迹跟踪并降低了柔性空间机械臂末端弹性变形、关节角位移和核心舱的姿态角的扰动,实现了柔性空间机械臂的精细操作,通过数值仿真验证了方法的可行性和有效性。
【关键词】：柔性空间机械臂 动力学建模 分力合成 振动抑制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V414;TP241
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题来源9
• 1.2 课题研究背景及意义9-10
• 1.3 国内外研究现状10-16
• 1.3.1 国内外空间机械臂的研究现状10-13
• 1.3.2 国内外空间机械臂运动轨迹规划研究现状13
• 1.3.3 国内外空间机械臂动力学建模研究现状13-14
• 1.3.4 国内外空间机械臂主动振动抑制研究现状14-16
• 1.4 本文主要研究内容16-17
• 第2章 漂浮基空间机械臂运动学及无扰动路径规划17-28
• 2.1 引言17
• 2.2 漂浮基空间机械臂运动学分析17-22
• 2.2.1 理论模型及符号定义17-19
• 2.2.2 广义雅克比矩阵19-22
• 2.3 基座姿态无扰关节轨迹规划22-27
• 2.3.1 遗传算法简介22
• 2.3.2 基于遗传算法最小扰动路径规划22-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 链式空间站转位多体动力学28-44
• 3.1 引言28
• 3.2 空间机械臂转位系统模型及有限元划分28-35
• 3.2.1 理论模型及符号定义29-31
• 3.2.2 柔性臂杆弹性变形描述31-32
• 3.2.3 由两弹性直梁获得折线梁模型32-35
• 3.3 考虑臂杆柔性刚柔耦合系统动力学35-41
• 3.3.1 任意质点速度和加速度35-37
• 3.3.2 系统瞬时质心方程及改造加速度表达式37-38
• 3.3.3 系统平移和转动方程38-40
• 3.3.4 系统振动方程40-41
• 3.4 动力学方程式中相对角速度的引入41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第4章 动力学方程降维及模型验证44-61
• 4.1 引言44
• 4.2 非约束模态法简化动力学方程44-47
• 4.3 空间机械臂转位动力学数值仿真47-53
• 4.3.1 柔性空间机械臂动力学分析47-51
• 4.3.2 柔性空间机械臂模态分析51-53
• 4.4 基于ANSYS柔性空间机械臂模态分析53-57
• 4.4.1 双连杆柔性机械臂不同工况模态分析53-57
• 4.5 基于ADAMS柔性空间机械臂刚柔耦合动力学建模57-59
• 4.5.1 双连杆柔性机械臂刚柔耦合动力学模型57-59
• 4.6 本章小结59-61
• 第5章 空间柔性机械臂转位过程振动抑制研究61-79
• 5.1 引言61
• 5.2 空间站转位过程描述61-62
• 5.3 分力合成主动振动抑制方法62-66
• 5.3.1 分力合成方法的基本原理62-64
• 5.3.2 分力合成方法同时抑制多个模态的原则64-65
• 5.3.3 分力合成法对频率的鲁棒性65-66
• 5.4 分力合成控制力矩设计及仿真66-72
• 5.5 PD反馈解耦与分力合成复合控制72-78
• 5.5.1 PD反馈解耦控制73-74
• 5.5.2 基于分力合成复合控制方法74-78
• 5.6 本章小结78-79
• 结论79-80
• 参考文献80-86
• 致谢86-87
• 附录A87-91

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