【摘 要】
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随着空间技术的发展和工程需求的提高,深空探测、战略侦察等领域对大口径抛物面天线、大型光学系统等大型空间结构的需求逐步提高,航天航空领域的空间结构朝着大尺寸、轻薄化的方向发展。通过将空间系统模块化,由智能空间机器人进行在轨装配的方式是构建大型空间结构较为理想的技术途径。由于空间系统模块构件等多具有尺寸大、刚度小等特点,进行在轨组装时,机器人的运动容易诱发基座的振动,基座的弹性振动对机器人运动控制的影
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随着空间技术的发展和工程需求的提高,深空探测、战略侦察等领域对大口径抛物面天线、大型光学系统等大型空间结构的需求逐步提高,航天航空领域的空间结构朝着大尺寸、轻薄化的方向发展。通过将空间系统模块化,由智能空间机器人进行在轨装配的方式是构建大型空间结构较为理想的技术途径。由于空间系统模块构件等多具有尺寸大、刚度小等特点,进行在轨组装时,机器人的运动容易诱发基座的振动,基座的弹性振动对机器人运动控制的影响不容忽略。同时,机器人运动停止后基座的残余振动也会影响末端快速、精准定位。对柔性基座机器人系统进行建模和控制,分析柔性基座在机器人运动下的响应,对于在轨装配任务的完成具有重要意义。本文以柔性基座的在轨组装机器人为研究对象,采取理论分析与数值仿真相结合的方法,分析柔性基座振动与机器人运动的关系,探索并验证可用于提高机器人运动控制精度和抑制基座振动的控制方法。主要研究内容如下:1.对常用空间串联六自由度机器人进行运动学分析,并基于假设模态法和第二类Lagrange方程建立了柔性基座单杆机器人动力学模型。使用ADAMS与MATLAB联合仿真验证六自由度机器人运动学正逆解和雅克比矩阵推导的正确性以及柔性基座单杆模型动力学方程推导的正确性。2.分别对刚性基座和柔性基座六自由度机器人进行动力学控制仿真,对仿真结果进行对比研究分析。使用ADAMS建立刚柔耦合机器人系统模型并导出到MATLAB进行联合仿真,分析在机器人空载与有负载、进行前三关节与后三关节单独运动时基座振动情况分析。针对机器人关节轨迹规划,对常用的三种插值方式进行仿真分析,得到了不同插值方式在机器人点到点运动中轨迹规划的效果并总结了可用于减少基座的振动的方法。3.针对柔性基座振动导致机器人末端控制精度变低的问题,对空间柔性基座机器人使用基于机器人末端位置检测的直接反馈和轨迹补偿两种构架的控制算法进行控制研究仿真分析。仿真结果表明基于机器人末端位置检测控制算法能够在小幅度改变基座振动情况下提高末端控制精度,但是,基座过程振动和残余振动没有得到抑制。同时,进行了末端位置刷新频率参数对控制效果影响的仿真分析。4.针对基于机器人末端位置检测控制和传统PID控制造成机器人柔性基座残余振动得不到控制的问题,使用迭代学习控制对柔性基座机器人进行控制研究仿真分析。基于已使用的控制方法构造迭代控制方案对空间柔性基座机器人进行控制仿真分析,根据仿真结果对迭代控制律进行改进,提出分段式迭代控制律并使用改进后的迭代律进行仿真分析。仿真结果表明改进后的迭代学习控制能够在提高末端精度的同时抑制基座残余振动。另外,在固定末端位置刷新频率时,经过均值滤波处理的迭代学习控制也取得了良好的控制效果。
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