柔性机器人动力学建模的一种方法

提出一种建立具有柔性关节的多柔杆机器人动力学方程的方法.首先给出了柔性关节及柔性臂杆的简化模型,然后利用Kane方法和假设模态法推导出完整的动力学方程并给出了递推公式.在此基础上利用一个算例研究了臂杆柔性与关节柔性对机器人动力学响应的影响.结果表明:所建立的动力学模型更接近于实际的柔性机器人系统;臂杆柔性与关节柔性都起着非常重要的作用,因此在柔性机器人的动力学建模与控制中应充分考虑它们的影响.      

柔性空间机械臂在轨操作仿真与分析

针对挠性航天器利用柔性空间机械臂在轨操作目标进行分析.首先利用Kane方程和假设模态法对挠性航天器上安装有柔性空间机械臂的系统进行动力学建模.其次,采用修正的罗德里格斯参数描述机械臂末端相对服务航天器的姿态,利用五次多项式对机械臂末端的相对位置与姿态进行规划,并将目标航天器的相对运动进行补偿,基于雅克比矩阵的广义逆求解机械臂关节运动规律.然后,将反馈控制与扩张状态观测器结合,分别设计了航天器姿态稳定控制器和机械臂轨迹跟踪控制器.最后,对柔性空间机械臂捕获目标航天器以及安装模块的过程进行闭环数值仿真,结果表明,所设计的控制器能够使机械臂跟踪期望轨迹,同时使得航天器姿态趋于稳定,机械臂可以较高精度完成在轨操作.     

空间站机械臂转位系统动力学建模及特性分析

为分析空间站在应用机械臂转位过程中的动力学特性,采用矢量力学方法推导了考虑偏心量的空间站转位系统动力学模型.使用有限元方法描述柔性臂的弹性变形,应用Newton-Euler法建立空间站机械臂转位系统转动方程,并采用Lagrange法建立柔性臂振动方程;针对柔性机械臂末端带有大负载的特点,将末端弹性变形引起的负载角速度从负载绝对角速度中分离,应用约束模态展开法对动力学方程进行降阶.提出了构造降维矩阵的方法以便于利用空间动力学模型研究机械臂平面转位问题;分析了空间站舱体转位过程中系统的转动惯量、偏心量发生变化的特性.数值仿真结果表明:空间站在转位过程中,系统总体相对于系统质心的转动惯量变化巨大,且偏心量变化范围甚至已超出了空间站核心舱的几何范围.结论可为空间站的控制系统设计提供理论参考.     

一种八质量MEMS陀螺模态频率分析方法

针对结构八质量MEMS陀螺在工作模态频率迭代设计过程中效率低下的问题,提出了一种模态频率解析分析方法。首先,根据八质量MEMS陀螺谐振子的构成方式是由集总质量按旋转对称的排布方式通过单向刚度柔性梁连接形成整体的特点,将其等效简化成一个质量-弹簧模型。然后,采用拉格朗日方程建立16自由度的质量-弹簧等效模型的动力学方程;考虑到八质量MEMS陀螺的工作模态振型特点,对动力学方程做出针对性的简化,提取其中的质量矩阵和刚度矩阵,求解质量矩阵和刚度矩阵行列式的特征值,通过逆推法筛选出符合工作模态振型特点的特征值,即为所需的工作模态频率。本文所提出的解析分析方法与有限元仿真频率偏差为12.8%,验证了所建频率分析模型的可行性。与有限元仿真所需的复杂建模流程相比,这种模态频率分析方法只需柔性梁的刚度以及质量块的质量,便能计算出工作模态的频率,因而能有效开展全局动力学模态分析,获取动力学最优解。     

空间机器人柔性臂动力学模糊控制的研究1)

重点研究了空间机器人柔性臂的动力学非线性控制问题.由于柔性臂动力学系统的强非线性和耦合性，使得柔性臂控制系统复杂，控制的实时性和稳定性差，本文针对以往柔性臂控制所存在的问题，综合考虑系统的动态和静态特性，提出了一种带有非线性补偿器及PID控制器的新的柔性臂模糊复合控制方案.然后，根据所推导的一两连杆的空间机器人柔性臂的动力学非线性模型，进行了系统控制的仿真研究.实例仿真的结果表明，该控制方案能有效地抑制柔性臂的弹性振动，具有良好的控制效果.     

柔性卫星大角度机动的自适应模糊变结构控制

针对柔性卫星大角度机动过程中多种模态的强耦合非线性动力学控制问题,提出了一种自适应模糊变结构姿态控制方法.首先利用拉格朗日方程建立了带柔性附件卫星的动力学模型,然后设计变结构控制器使得系统状态能在有限时间内到达滑模面,并采用自适应模糊系统逼近系统所存在的耦合非线性项.为了削弱变结构控制项所带来的抖动,避免激发柔性附件的高频模态,采用边界层方法来代替开关项,并通过模糊规则表的方法确定边界层的厚度.仿真结果表明,所提出的控制方法既实现了柔性卫星高精度姿态控制,也保证了卫星大角度机动过程中柔性附件弹性模态的有效抑制,系统对各种干扰具有一定的鲁棒性.      

基于向量对方法的柔性空间机械臂建模与仿真

针对柔性自由漂浮基座空间机械臂系统建模的过程中存在的形式复杂计算量大等问题,本文采用向量对方法,以自由漂浮基座双连杆柔性机械臂为研究对象,以单个体的动力学方程为基础,分别列出相邻两个体之间的约束方程,利用拉格朗日乘子法组装构成系统的动力学方程.这种方法在建模时需要的信息较少,易于推导,得到的方程十分规范化,更加有利于柔性空间机械臂控制系统的设计.最后文章通过仿真验证了模型的正确性.     

柔性欠驱动机械臂的内共振现象及应用

针对柔性欠驱动机械臂研究了被动关节处于自由摆动和锁定状态下系统所具有的不同动力学行为.通过对平面二连杆柔性欠驱动机械臂的非线性动力学分析,发现这种多模态非线性动力学系统的内共振对系统振动行为有重要影响.当结构参数满足一定条件时,系统发生的内共振能有效减小机械臂末端的振动.利用这一现象,提出一种柔性欠驱动机械臂的开环振动控制方法,这种方法降低了闭环振动控制方法对驱动元件性能的过高或控制器稳定的困难.以平面二连杆柔性欠驱动机械臂进行了建模和数值计算分析,结果证明了以上方法和结果.     

基于多层感知器神经元的空间柔性机器人位置跟踪控制

针对基体位置及姿态均不受控的自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪问题,提出了一种前馈多层感知器(MLP)神经网络控制策略.建立了末端柔性的自由漂浮基机器人的耦合动力学模型,再利用MLP神经网络良好的逼近能力来自适应补偿非线性柔性臂的逆动力学模型,其误差代价函数由PID控制器提供,权重及阀值的调整采用改进的BP反传算法.最后通过仿真比较详细分析了所提方案的工作机理及对非线性强耦合系统控制的有效性.     

全柔性空间机器人基于虚拟力的输出反馈有限维重复学习控制及振动抑制

探讨了基座、关节、臂均存在柔性情况下,空间机器人关节轨迹运动及多重柔性振动的主动控制和主动抑制问题.结合线性弹簧、扭转弹簧、简支梁及假设模态法,利用拉格朗日方程建立了基座、关节、臂全柔性影响下的空间机器人系统动力学模型,利用奇异摄动法,将模型分解为关节运动慢变子系统与关节柔性振动快变子系统.为控制慢变子系统中载体姿态、关节刚性运动并且抑制臂的柔性振动,依据虚拟控制力的概念,设计了基于有限维傅里叶级数解析周期信号的输出反馈重复学习算法.李雅普诺夫直接法证实了上述控制器的稳定性.为了抑制快变子系统中基座和关节的柔性振动,分别采用线性二次最优控制方法以及引入关节柔性补偿器间接增大关节等效刚度的方式,使控制算法不局限于求解弱非线性问题.系统数值仿真结果表明,所提出的控制器能够有效抑制机器人多重柔性构件的振动,实现对期望信号的高品质追踪.      

基于有限差分法的双臂关节柔性空间机器人智能递阶控制策略

谐波减速器和力矩传感器等柔性元件广泛应用于空间机器人关节系统,以获取高减速比.这些柔性元件为空间机器人系统引入关节柔性,使得对其的稳定控制变得更为复杂.本文讨论研究了参数不确定双臂关节柔性空间机器人基于有限差分法的智能递阶控制及弹性振动抑制.运用递阶系统理论、动量守恒原理及第二类拉格朗日方法推导出系统递阶动力学模型.利用该模型,设计了基于模糊回归神经网络的非奇异Terminal滑模控制算法和基于有限差分法的滑模控制算法.采用模糊回归神经网络（Recurrent Fuzzy Neural Network,RFNN）逼近系统的不确定部分.为避免复杂的求导计算及角加速度可测要求,利用基于有限差分法的滑模控制来抑制柔性关节振动.由于设计控制器过程中未涉及惯常的奇异摄动双时标分解操作,该控制算法理论上具有适合任意大小关节柔性刚度的优点.系统对比仿真试验证明了智能递阶控制算法优于传统基于奇异摄动法的控制方案.      

俯仰操纵方式对自转旋翼机操稳特性的影响

为了研究不同的俯仰操纵方式对于旋翼机飞行动力学特性的影响,首先基于解析形式叶素法给出自转旋翼的建模方法,并建立了对象无人旋翼机的数学模型;然后分析了2种操纵方式在配平、稳定性及操纵性等方面的差异。研究表明,2种操纵方式各有优缺点:旋翼操纵方式的配平俯仰姿态变化更小且长周期稳定性更好,但螺旋模态不稳定;升降舵操纵方式的螺旋稳定性更好,且俯仰可达力矩较大,但高速配平迎角为负且存在速度静不稳定的问题。针对2种操纵方式,分别设计集成了2架样例无人旋翼机并进行了飞行试验。基于试验数据分析了无人旋翼机飞行过程中自转旋翼的转速变化特性;分别对2架无人旋翼机进行了姿态控制律设计与试验,较好地实现了姿态跟踪控制,并基于试飞数据验证了无人旋翼机数学模型。      

柔性机械臂模型非约束模态降维绝对误差准则

描述柔性结构振动的非约束模态展开方法仅考虑结构参数而不考虑外部作用力,当外部驱动力频率与非约束模态的某几阶频率相等或者相近时,这样的处理将影响动力学响应的近似精度。针对此问题,且考虑到任意驱动力都可以用傅里叶分析的方法将其等效为无穷多个正弦力的叠加,提出了一种正弦力作用下基于非约束模态降维的绝对误差准则。采用有限元法描述柔性机械臂的弹性变形,应用拉格朗日法建立其动力学方程,并用非约束模态降维模型与其作对比,仿真验证了所提出的非约束模态选取准则的正确性。     

Active vibration suppression for flexible satellites using a novel component synthesis method

This paper is devoted to developing a closed-loop vibration suppression controller for a satellite with large flexible appendages based on component synthesis vibration suppression (CSVS) method. The dynamics model of a flexible satellite is firstly established by using the Newton–Euler methodology, and the dynamics model of the flywheel is also developed. A novel CSVS method is presented based on zero-vibration differentiator (ZVD), which can guarantee multi-order vibration suppression. Combined with the proposed CSVS method, traditional closed-loop controllers such as PD or sliding mode controllers can be applied to active vibration suppression. The stability of the proposed closed-loop CSVS controller is proved by the Lyapunov theory. Subsequently, the dynamic optimal control allocation algorithm is proposed for six flywheels, and a novel nonsingular fast terminal sliding mode controller is developed to obtain practical voltage control input for the flywheel drive control system. Finally, numerical simulations are carried out to validate the effectiveness of the proposed method.     

空间运动体上梁的三维动力学建模和仿真

对附着在空间运动体上梁的动力学问题进行了研究,运用Lagrange方法建立了中心刚体作任意三维运动时,梁作横向振动和纵向振动的动力学方程,考虑了柔性梁的横向弯曲变形所带来的纵向位移,这种耦合变形使所得到的振动方程包含了动力刚化效应,这是与传统的梁振动模型的不同之处,最后通过仿真算例验证了该方法.      

压电智能柔性梁振动主动控制研究

利用压电陶瓷作为作动器,对柔性悬臂梁进行了振动主动控制研究.分析了压电结构振动主动控制的原理和方法.采用独立模态控制法对柔性悬臂梁的前两阶模态实施主动控制.实验结果表明,通过振动主动控制明显增加了柔性悬臂梁的结构阻尼,取得了十分有效的振动抑制效果.      

挠性航天器智能模糊控制算法

针对挠性航天器滑模变结构姿态控制器控制力矩的高频抖振问题,提出一种挠性航天器智能模糊控制算法。该算法使用模糊控制算法对航天器控制参数进行模糊化智能处理,能够有效改善控制器控制力矩的高频抖振问题。首先将模糊控制算法与滑模控制算法结合,根据切换面趋近律系数模糊化处理;然后应用连续饱和函数代替符号函数设计姿态控制器;最后通过算法到达滑模面的程度调整边界层厚度,在保证控制力矩不发生抖振情况的同时有效控制滑模面边界层的厚度。仿真结果证明,提出的智能模糊控制算法能够有效改善挠性航天器控制力矩的高频抖振问题,同时可以加快挠性航天器低阶模态振动曲线的收敛速度。     

飞行逆动力学的应用

考察了求解输入类飞行逆动力学问题的微分-迭代与积分-迭代算法; 探讨了利用逆动力学确定过失速机动操纵效能要求问题,这构成了进一步提出过失速机动飞机设计简化判据的数值基础; 利用逆动力学设计机动发生模块进行飞控系统的最外环控制,以便跟踪期望的复杂机动轨迹.飞机最速反向示例及其它数值仿真结果表明设计思想与算法是可行的.     

挠性航天器滑模变结构控制及抖振抑制研究

针对挠性航天器姿态滑模变结构控制中存在的抖振问题,提出了一种改进的滑模变结构控制律.在滑模“边界层”法的基础上,用更为光滑的“反正切”函数替代饱和函数,以抑制抖振.在滑模控制器的到达运动控制律中引入滞后因子以减小机动初始时刻控制所需的最大控制力矩,避免由此引起的挠性附件振动.仿真结果表明,所设计的改进滑模变结构控制律不仅能够有效抑制抖振,而且对航天器自身参数摄动具有良好的鲁棒性.