抓手空間機械臂動力學與控制

抓手空間機械臂—載體系統(tǒng)為自由漂浮于空間的剛-柔耦合多體系統(tǒng)。本項目系統(tǒng)地研究了空間機械臂的逆動力學、路徑規(guī)劃與控制問題，以及考慮部件彈性的空間機械臂的動力學建模和數值仿真問題。提出了解決空間機械臂逆動力學問題的近似解析方法，保證載荷和載體向予定位形轉移過程的漸進穩(wěn)定性，以及載體姿態(tài)不受干擾的路徑規(guī)劃方法。提出了空間機械臂工作空間的計算方法，以及空間機械臂追蹤慣性空間內期望軌跡的最優(yōu)控制、自適應控制及魯棒控制的控制規(guī)律設計方法。提出了適用于多種構型柔性多體系統(tǒng)的通用的面向計算機的動力學建模和計算方法，研究了柔性機械臂接觸碰撞動力學及數值仿真問題。為我國空間機械臂的研制工作提供理論基礎。 2100433B

機器人系統(tǒng)是由視覺傳感器、機械臂系統(tǒng)及主控計算機組成，其中機械臂系統(tǒng)又包括模塊化機械臂和靈巧手兩部分。整個系統(tǒng)的構建模型如圖1所示。

機械臂研究背景

近年來，隨著機器人技術的發(fā)展，應用高速度、高精度、高負載自重比的機器人結構受到工業(yè)和航空航天領域的關注。由于運動過程中關節(jié)和連桿的柔性效應的增加，使結構發(fā)生變形從而使任務執(zhí)行的精度降低。所以，機器人機械臂結構柔性特征必須予以考慮，實現柔性機械臂高精度有效控制也必須考慮系統(tǒng)動力學特性。柔性機械臂是一個非常復雜的動力學系統(tǒng)，其動力學方程具有非線性、強耦合、實變等特點。而進行柔性臂動力學問題的研究，其模型的建立是極其重要的。柔性機械臂不僅是一個剛柔耦合的非線性系統(tǒng)，而且也是系統(tǒng)動力學特性與控制特性相互耦合即機電耦合的非線性系統(tǒng)。動力學建模的目的是為控制系統(tǒng)描述及控制器設計提供依據。一般控制系統(tǒng)的描述（包括時域的狀態(tài)空間描述和頻域的傳遞函數描述）與傳感器/執(zhí)行器的定位，從執(zhí)行器到傳感器的信息傳遞以及機械臂的動力學特性密切相關。

機械臂建模理論

柔性機械臂動力學方程的建立主要是利用Lagrange方程和NeWton-Euler方程這兩個最具代表性的方程。另外比較常用的還有變分原理，虛位移原理以及Kane方程的方法。 而柔性體變形的描述是柔性機械臂系統(tǒng)建模與控制的基礎。因此因首先選擇一定的方式描述柔性體的變形，同時變形的描述與系統(tǒng)動力學方程的求解關系密切。

柔性體變形的描述主要有以下幾種：

1）有限元法；

2）有限段法；

3）模態(tài)綜合法；

4）集中質量法。

機械臂動力學方程的建立

無論是連續(xù)或離散的動力學模型，其建模方法主要基于兩類基本方法：矢量力學法和分析力學法。應用較廣泛同時也是比較成熟的是Newton-Euler公式、Lagrange方程、變分原理、虛位移原理和Kane方程。

機械臂控制策略

對柔性機械臂的控制一般有如下方式：

1）剛性化處理。完全忽略結構的彈性變形對結構剛體運動的影響。例如為了避免過大的彈性變形破壞柔性機械臂的穩(wěn)定性和末端定位精度，NASA的遙控太空手運動的最大角速度為0.5deg/s。

2）前饋補償法。將機械臂柔性變形形成的機械振動看成是對剛性運動的確定性干擾而采用前饋補償的辦法來抵消這種干擾。德國的Bernd Gebler研究了具有彈性桿和彈性關節(jié)的工業(yè)機器人的前饋控制。張鐵民研究了基于利用增加零點來消除系統(tǒng)的主導極點和系統(tǒng)不穩(wěn)定的方法，設計了具有時間延時的前饋控制器，和PID控制器比較起來，可以更加明顯的消除系統(tǒng)的殘余振動。Seering Warren P.等學者對前饋補償技術進行了深入的研究。

3）加速度反饋控制。Khorrami FarShad和Jain Sandeep研究了利用末端加速度反饋控制柔性機械臂的末端軌跡控制問題。

4）被動阻尼控制。為降低柔性體相對彈性變形的影響 選用各種耗能或儲能材料設計臂的結構以控制振動?；蛘咴谌嵝粤荷喜捎米枘釡p振器、阻尼材料、復合型阻尼金屬板、阻尼合金或用粘彈性大阻尼材料形成附加阻尼結構均屬于被動阻尼控制。近年來，粘彈性大阻尼材料用于柔性機械臂的振動控制已引起高度重視。Rossi Mauro和Wang David研究了柔性機器人的被動控制問題。

5）力反饋控制法。柔性機械臂振動的力反饋控制實際上是基于逆動力學分析的控制方法，即根據逆動力學分析，通過臂末端的給定運動求得施加于驅動端的力矩，并通過運動或力檢測對驅動力矩進行反饋補償。

6）自適應控制。采用組合自適應控制，將系統(tǒng)劃分成關節(jié)子系統(tǒng)和柔性子系統(tǒng)。利用參數線性化的方法設計自適應控制規(guī)則來辨識柔性機械臂的不確定性參數。對具有非線性和參數不確定性的柔性機械臂進行了跟蹤控制器的設計?？刂破鞯脑O計是依據Lyapunov方法的魯棒和自適應控制設計。通過狀態(tài)轉換將系統(tǒng)分成兩個子系統(tǒng)。用自適應控制和魯棒控制分別對兩個子系統(tǒng)進行控制。

7）PID控制。PID控制器作為最受歡迎和最廣泛應用的控制器，由于其簡單、有效、實用，被普遍地用于剛性機械臂控制，常通過調整控制器增益構成自校正PID控制器或與其它控制方法結合構成復合控制系統(tǒng)以改善PID控制器性能。

8）變結構控制。變結構控制系統(tǒng)是一種不連續(xù)的反饋控制系統(tǒng)，其中滑?？刂剖亲钇毡榈淖兘Y構控制。其特點：在切換面上，具有所謂的滑動方式，在滑動方式中系統(tǒng)對參數變化和擾動保持不敏感，同時，它的軌跡位于切換面上，滑動現象并不依賴于系統(tǒng)參數，具有穩(wěn)定的性質。變結構控制器的設計，不需要機械臂精確的動態(tài)模型，模型參數的邊界就足以構造一個控制器。

9）模糊與神經網絡控制。是一種語言控制器，可反映人在進行控制活動時的思維特點。其主要特點之一是控制系統(tǒng)設計并不需要通常意義上的被控對象的數學模型，而是需要操作者或專家的經驗知識、操作數據等。

機械臂研究意義

與剛性機械臂相比較，柔性機械臂具有結構輕、載重/自重比高等特性，因而具有較低的能耗、較大的操作空間和很高的效率，其響應快速而準確，有著很多潛在的優(yōu)點，在工業(yè)、國防等應用領域中占有十分重要的地位。隨著宇航業(yè)及機器人業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多地采用由若干個柔性構件組成的多柔體系統(tǒng)。傳統(tǒng)的多剛體動力學的分析方法及控制方法已不能滿足多柔體系統(tǒng)的動力分析及控制的要求。柔性機械臂作為最簡單的非平凡多柔體系統(tǒng)，被廣泛地用作多柔體系統(tǒng)的研究模型。

我國空間機器人的研制正向著長壽命、業(yè)務服務型時代邁進，有效的故障診斷和容錯控制是關系到空間機械臂能否長期安全運行的關鍵科學技術。在長壽命空間機器人安全保障技術方面,我國尚處起步階段，亟需建立一套科學、完善、具有實用價值的安全保障規(guī)范，實現機械臂的在軌健康狀態(tài)評價與故障預測。. 本項目以空間站建設和外行星探測為應用背景，針對分布式控制模式的多自由度、長壽命空間機械臂系統(tǒng)的安全控制問題，開展機械臂系統(tǒng)可靠性與容錯設計、安全運行控制和在軌健康狀態(tài)評價與故障預測等方面的研究工作。旨在研制具有在軌資源重構能力的關節(jié)控制系統(tǒng)，構建機械臂故障響應與容錯控制架構，實現機械臂關節(jié)傳感、控制與驅動系統(tǒng)故障的在線實時檢測，提出基于在軌參數辨識、能效分析等技術的長壽命空間機械臂關節(jié)健康狀態(tài)評價與故障預測策略。該課題的深入研究對提高我國空間機械臂系統(tǒng)的智能化水平和運行安全性具有重要的科學意義和實用價值。