考虑环境力矩的机械臂动力学建模与轨迹跟踪控制研究

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1、硕士学位论文考虑环境力矩的机械臂动力学建模与轨迹跟踪控制研究MODELINGANDTRAJECTORYTRACKINGCONTROLOFULTRA-LOW-ORBITMANIPULATORCONSIDERINGENVIRONMENTALTORQUE王通明哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP24校代码：10213国际图书分类号：510.80密级：公开工学硕士学位论文考虑环境力矩的机械臂动力学建模与轨迹跟踪控制研究硕士研究生：王通明导师：赵阳教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工

2、业大学ClassifiedIndex:TP24U.D.C.:510.80DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringMODELINGANDTRAJECTORYTRACKINGCONTROLOFULTRA-LOW-ORBITMANIPULATORCONSIDERINGENVIRONMENTALTORQUECandidate：WangTongmingSupervisor：Prof.ZhaoYangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：Aeronaut

3、icalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士论文摘要空间机械臂是在轨服务机器人极为重要的操作工具，在超低轨状态下，环境力矩，尤其是气动力矩将会对机械臂操作精度产生影响。本文针对环境力矩、空间机械臂建模和机械臂轨迹跟踪控制问题进行了研究与实现。首先，文章介绍了稀薄气体动力学的发展状况

4、，给出了目前国内外在空间机械臂问题上的研制计划和发展情况，对国内外在空间机械臂轨迹跟踪控制方面的研究情况进行了详细的分析和评述；其次，研究了超低轨卫星所受环境力矩的建模方法。针对重力梯度力矩，采用将研究对象拆分独立计算的方法，分析系统各部件受到的重力梯度力矩，通过4仿真算例得到，系统所受重力梯度力矩量级为10Nm。针对气动力矩，在一般工程应用模型基础上，引入微元划分思想，提出了一种针对研究对象精确计算有效迎风面积的方法，并通过仿真算例得到，有效迎风面积的计算精度达到99.9%以2上。应用有效迎风面积算法，计算得到系统所受气动力矩量级为10Nm，相对于

5、重力梯度力矩，气动力矩为低轨卫星主要的影响力矩。再次，给出了机械臂关节坐标系的定义方法及关节坐标系间的转换关系，并以此推导了机械臂动力学正解。然后引入拉格朗日方法对空间机械臂进行动力学建模，得到机械臂动力学方程。结合第二章得到的环境力矩模型进行仿真计算，对有无环境干扰下的机械臂运动情况进行了对比分析，发现在超低轨道下，关节无控时环境力矩对机械臂关节运动及末端位置影响较大，同时验证了动力学模型的正确性。最后，文章对空间机械臂轨迹跟踪控制问题进行了讨论。针对建立的基于拉格朗日方法的机械臂动力学模型，根据固定基机械臂系统特点对模型进行了适当简化，基于模型的计算力矩

6、控制方法，设计了关节轨迹跟踪控制器。将环境力矩作为干扰作用到关节控制力矩，进行仿真分析，对固定基机械臂系统实现了良好的控制效果。同时引入环境力矩干扰，分析环境力矩对跟踪效果的影响。关键词：机械臂；环境力矩；动力学建模；轨迹跟踪I哈尔滨工业大学工学硕士论文AbstractThespacemanipulatorisaveryimportantoperationtoolforon-orbitspacerobots.Ontheultra-low-orbit,theenvironmentaltorque,especiallytheatmospheric-dragtor

7、que,willhaveaneffectontheoperationaccuracyofthemanipulator.Thispaperwillstudyonmodelingofenvironmentaltorqueandspacemanipulatorandachievingtrajectorytrackingcontrolofspacemanipulator.Firstofall,thispaperintroducestherarefiedgasdynamicsdevelopmentsituation,givesdevelopmentplanofthec

8、urrentlyspacemanipulatorre