【摘 要】
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随着社会文明的发展、科学技术的高速进步,人类探索太空、建设太空的行为越发频繁。作为人类探索太空、建设太空的重要帮手,空间机器人一直发挥着巨大的作用。目前,越来越多的航天大国和知名商业公司都投身于空间机器人的研制之中。为满足未来空间作业需求,越来越多的空间机器人被开发、应用于各种不同的工作场合。为降低发射成本,空间机器人的轻型化已成为当前空间技术发展的一大趋势。不过值得一提的是机器人中各类轻型复合材
【基金项目】
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漂浮基柔性基、柔性关节空间机器人的动力学与奇异摄动混合控制研究(国家自然科学基金项目,起止年月:2016年1月—2018年12月,基金批准号:11502052);
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随着社会文明的发展、科学技术的高速进步,人类探索太空、建设太空的行为越发频繁。作为人类探索太空、建设太空的重要帮手,空间机器人一直发挥着巨大的作用。目前,越来越多的航天大国和知名商业公司都投身于空间机器人的研制之中。为满足未来空间作业需求,越来越多的空间机器人被开发、应用于各种不同的工作场合。为降低发射成本,空间机器人的轻型化已成为当前空间技术发展的一大趋势。不过值得一提的是机器人中各类轻型复合材料、关节谐波柔轮等的使用虽可减轻系统的质量,但却使得系统各主要部件(如基座、关节等)在工作过程中更易产生弹性振动。可见,解决好基座、关节弹性变形影响下的系统动力学控制问题,对于提高空间机器人工作效率和操作精度有着重要的现实意义。为此,本文着重就弹性基、弹性关节空间机器人的智能控制算法展开研究。首先,基于对系统基座、关节弹性变形的线性弹簧模型描述,结合系统动量守恒原理及第二类拉格朗日建模法,建立了漂浮弹性基、弹性关节空间机器人的动力学方程。借助奇异摄动理论,对所得整体系统动力学方程进行奇异摄动解耦,得到了双时间尺度下的快、慢变子系统。接着,以上述所得快、慢变子系统为基础,针对系统惯性参数未知的工况,通过引入一种新型滤波器并重新定义系统参数回归矩阵,设计了一种基于非确定性等价原理的自适应控制及弹性振动抑制方案。针对系统惯性参数未知且存在外界扰动的工况,设计了一类系统协调运动及机械臂末端运动的自适应模糊控制及弹性振动抑制方案。为提高自适应模糊控制系统的实时性,提出了一类新型自适应模糊控制及弹性振动抑制方案,该方案通过自适应模糊系统来直接逼近系统理想控制输入,以便使空间机器人能够在复杂工况下实现系统各类期望协调运动轨迹的精确跟踪。针对系统存在未知惯性参数、外部扰动及具有误差性能要求的工况,设计了一类基于误差性能函数的自适应模糊控制及弹性振动抑制方案,以实现空间机器人载体姿态与机械臂各关节轨迹的高精度跟踪。最后,对上述所设计的控制策略进行数值仿真实验,实验结果验证了所提控制方案的有效性。
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