抓手空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)與控制基本信息

抓手空間機(jī)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(xiàng)目系統(tǒng)地研究了空間機(jī)械臂的逆動(dòng)力學(xué)、路徑規(guī)劃與控制問(wèn)題，以及考慮部件彈性的空間機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)建模和數(shù)值仿真問(wèn)題。提出了解決空間機(jī)械臂逆動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的近似解析方法，保證載荷和載體向予定位形轉(zhuǎn)移過(guò)程的漸進(jìn)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(jī)械臂工作空間的計(jì)算方法，以及空間機(jī)械臂追蹤慣性空間內(nèi)期望軌跡的最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制及魯棒控制的控制規(guī)律設(shè)計(jì)方法。提出了適用于多種構(gòu)型柔性多體系統(tǒng)的通用的面向計(jì)算機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模和計(jì)算方法，研究了柔性機(jī)械臂接觸碰撞動(dòng)力學(xué)及數(shù)值仿真問(wèn)題。為我國(guó)空間機(jī)械臂的研制工作提供理論基礎(chǔ)。 2100433B

機(jī)器人系統(tǒng)是由視覺(jué)傳感器、機(jī)械臂系統(tǒng)及主控計(jì)算機(jī)組成，其中機(jī)械臂系統(tǒng)又包括模塊化機(jī)械臂和靈巧手兩部分。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建模型如圖1所示。

機(jī)械臂研究背景

近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用高速度、高精度、高負(fù)載自重比的機(jī)器人結(jié)構(gòu)受到工業(yè)和航空航天領(lǐng)域的關(guān)注。由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)和連桿的柔性效應(yīng)的增加，使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形從而使任務(wù)執(zhí)行的精度降低。所以，機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性特征必須予以考慮，實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂高精度有效控制也必須考慮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。柔性機(jī)械臂是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程具有非線性、強(qiáng)耦合、實(shí)變等特點(diǎn)。而進(jìn)行柔性臂動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究，其模型的建立是極其重要的。柔性機(jī)械臂不僅是一個(gè)剛?cè)狁詈系姆蔷€性系統(tǒng)，而且也是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性與控制特性相互耦合即機(jī)電耦合的非線性系統(tǒng)。動(dòng)力學(xué)建模的目的是為控制系統(tǒng)描述及控制器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。一般控制系統(tǒng)的描述（包括時(shí)域的狀態(tài)空間描述和頻域的傳遞函數(shù)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(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。

機(jī)械臂建模理論

柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程的建立主要是利用Lagrange方程和NeWton-Euler方程這兩個(gè)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(jī)械臂系統(tǒng)建模與控制的基礎(chǔ)。因此因首先選擇一定的方式描述柔性體的變形，同時(shí)變形的描述與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的求解關(guān)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(zhì)量法。

機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程的建立

無(wú)論是連續(xù)或離散的動(dòng)力學(xué)模型，其建模方法主要基于兩類基本方法：矢量力學(xué)法和分析力學(xué)法。應(yīng)用較廣泛同時(shí)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(jī)械臂控制策略

對(duì)柔性機(jī)械臂的控制一般有如下方式：

1）剛性化處理。完全忽略結(jié)構(gòu)的彈性變形對(duì)結(jié)構(gòu)剛體運(yùn)動(dòng)的影響。例如為了避免過(guò)大的彈性變形破壞柔性機(jī)械臂的穩(wěn)定性和末端定位精度，NASA的遙控太空手運(yùn)動(dòng)的最大角速度為0.5deg/s。

2）前饋補(bǔ)償法。將機(jī)械臂柔性變形形成的機(jī)械振動(dòng)看成是對(duì)剛性運(yùn)動(dòng)的確定性干擾而采用前饋補(bǔ)償?shù)霓k法來(lái)抵消這種干擾。德國(guó)的Bernd Gebler研究了具有彈性桿和彈性關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人的前饋控制。張鐵民研究了基于利用增加零點(diǎn)來(lái)消除系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)和系統(tǒng)不穩(wěn)定的方法，設(shè)計(jì)了具有時(shí)間延時(shí)的前饋控制器，和PID控制器比較起來(lái)，可以更加明顯的消除系統(tǒng)的殘余振動(dòng)。Seering Warren P.等學(xué)者對(duì)前饋補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)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(jī)械臂的末端軌跡控制問(wèn)題。

4）被動(dòng)阻尼控制。為降低柔性體相對(duì)彈性變形的影響 選用各種耗能或儲(chǔ)能材料設(shè)計(jì)臂的結(jié)構(gòu)以控制振動(dòng)。或者在柔性梁上采用阻尼減振器、阻尼材料、復(fù)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(jié)構(gòu)均屬于被動(dòng)阻尼控制。近年來(lái)，粘彈性大阻尼材料用于柔性機(jī)械臂的振動(dòng)控制已引起高度重視。Rossi Mauro和Wang David研究了柔性機(jī)器人的被動(dòng)控制問(wèn)題。

5）力反饋控制法。柔性機(jī)械臂振動(dòng)的力反饋控制實(shí)際上是基于逆動(dòng)力學(xué)分析的控制方法，即根據(jù)逆動(dòng)力學(xué)分析，通過(guò)臂末端的給定運(yùn)動(dòng)求得施加于驅(qū)動(dòng)端的力矩，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)或力檢測(cè)對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行反饋補(bǔ)償。

6）自適應(yīng)控制。采用組合自適應(yīng)控制，將系統(tǒng)劃分成關(guān)節(jié)子系統(tǒng)和柔性子系統(tǒng)。利用參數(shù)線性化的方法設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制規(guī)則來(lái)辨識(shí)柔性機(jī)械臂的不確定性參數(shù)。對(duì)具有非線性和參數(shù)不確定性的柔性機(jī)械臂進(jìn)行了跟蹤控制器的設(shè)計(jì)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)是依據(jù)Lyapunov方法的魯棒和自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)。通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換將系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)。用自適應(yīng)控制和魯棒控制分別對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制。

7）PID控制。PID控制器作為最受歡迎和最廣泛應(yīng)用的控制器，由于其簡(jiǎn)單、有效、實(shí)用，被普遍地用于剛性機(jī)械臂控制，常通過(guò)調(diào)整控制器增益構(gòu)成自校正PID控制器或與其它控制方法結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)以改善PID控制器性能。

8）變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是一種不連續(xù)的反饋控制系統(tǒng)，其中滑模控制是最普遍的變結(jié)構(gòu)控制。其特點(diǎn)：在切換面上，具有所謂的滑動(dòng)方式，在滑動(dòng)方式中系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和擾動(dòng)保持不敏感，同時(shí)，它的軌跡位于切換面上，滑動(dòng)現(xiàn)象并不依賴于系統(tǒng)參數(shù)，具有穩(wěn)定的性質(zhì)。變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)，不需要機(jī)械臂精確的動(dòng)態(tài)模型，模型參數(shù)的邊界就足以構(gòu)造一個(gè)控制器。

9）模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。是一種語(yǔ)言控制器，可反映人在進(jìn)行控制活動(dòng)時(shí)的思維特點(diǎn)。其主要特點(diǎn)之一是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不需要通常意義上的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而是需要操作者或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)、操作數(shù)據(jù)等。

機(jī)械臂研究意義

與剛性機(jī)械臂相比較，柔性機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)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(yīng)快速而準(zhǔn)確，有著很多潛在的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、國(guó)防等應(yīng)用領(lǐng)域中占有十分重要的地位。隨著宇航業(yè)及機(jī)器人業(yè)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多地采用由若干個(gè)柔性構(gòu)件組成的多柔體系統(tǒng)。傳統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)的分析方法及控制方法已不能滿足多柔體系統(tǒng)的動(dòng)力分析及控制的要求。柔性機(jī)械臂作為最簡(jiǎn)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(guó)空間機(jī)器人的研制正向著長(zhǎng)壽命、業(yè)務(wù)服務(wù)型時(shí)代邁進(jìn)，有效的故障診斷和容錯(cuò)控制是關(guān)系到空間機(jī)械臂能否長(zhǎng)期安全運(yùn)行的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)。在長(zhǎng)壽命空間機(jī)器人安全保障技術(shù)方面,我國(guó)尚處起步階段，亟需建立一套科學(xué)、完善、具有實(shí)用價(jià)值的安全保障規(guī)范，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的在軌健康狀態(tài)評(píng)價(jià)與故障預(yù)測(cè)。. 本項(xiàng)目以空間站建設(shè)和外行星探測(cè)為應(yīng)用背景，針對(duì)分布式控制模式的多自由度、長(zhǎng)壽命空間機(jī)械臂系統(tǒng)的安全控制問(wèn)題，開展機(jī)械臂系統(tǒng)可靠性與容錯(cuò)設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行控制和在軌健康狀態(tài)評(píng)價(jià)與故障預(yù)測(cè)等方面的研究工作。旨在研制具有在軌資源重構(gòu)能力的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，構(gòu)建機(jī)械臂故障響應(yīng)與容錯(cuò)控制架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)傳感、控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，提出基于在軌參數(shù)辨識(shí)、能效分析等技術(shù)的長(zhǎng)壽命空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)與故障預(yù)測(cè)策略。該課題的深入研究對(duì)提高我國(guó)空間機(jī)械臂系統(tǒng)的智能化水平和運(yùn)行安全性具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。