無反作用力矩空間機(jī)器人軌跡跟蹤控制

《無反作用力矩空間機(jī)器人軌跡跟蹤控制》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、２０１４年４月中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)１３第２期ChineseSpaceScienceandTechnology無反作用力矩空間機(jī)器人軌跡跟蹤控制趙楠賈英宏徐世杰（北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京１００１９１）摘要針對(duì)目前關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式的不足，提出一種采用無反作用力矩驅(qū)動(dòng)方式的空間機(jī)器人設(shè)計(jì)概念。系統(tǒng)平臺(tái)與各節(jié)機(jī)械臂上均安裝一組金字塔構(gòu)型的控制力矩陀螺（CMGs）作為力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)，各臂間由自由球鉸連接。采用Rodriguez參數(shù)描述平臺(tái)姿態(tài)和機(jī)械臂角位移，利用Kane方程建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)

2、了漸近穩(wěn)定的軌跡跟蹤控制律，使得平臺(tái)姿態(tài)和機(jī)械臂角位移跟蹤期望運(yùn)動(dòng)軌跡；并設(shè)計(jì)了CMGs操縱律，使之準(zhǔn)確輸出期望控制力矩。此外，研究了機(jī)械臂工作空間到關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃算法，使得所設(shè)計(jì)的控制律也可應(yīng)用于工作空間的軌跡跟蹤控制。由三關(guān)節(jié)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了無反作用力矩設(shè)計(jì)概念的可行性和軌跡規(guī)劃算法的有效性。關(guān)鍵詞球鉸；控制力矩陀螺；機(jī)械臂；軌跡跟蹤；空間機(jī)器人DOI：１０暢３７８０／j暢issn暢１０００‐７５８X暢２０１４暢０２暢００２１引言隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人類探測(cè)空間的活動(dòng)越來越頻繁，但

3、惡劣的太空環(huán)境給人類太空活動(dòng)帶來很大威脅?？臻g機(jī)器人在太空中得到了成功的試驗(yàn)與應(yīng)用，在空間站的建造與維護(hù)、對(duì)失效飛行器的捕捉與維修、儀器的定向放置等方面均具有廣闊的應(yīng)用前景。軌跡跟蹤控制是許多空間任務(wù)的基本要求，因此對(duì)此類控制問題的研究具有重要實(shí)際意義。目前，空間機(jī)器人均采用關(guān)節(jié)力矩驅(qū)動(dòng)方式，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但由此也使得系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)體之間存在強(qiáng)動(dòng)力學(xué)耦合，不利于實(shí)現(xiàn)精確軌跡跟蹤控制任務(wù)。為解決此問題，日本學(xué)者［１］Osuka等人在１９９４年提出了“無反作用力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的概念，在其設(shè)計(jì)中，

4、各臂間以單自由度自由柱鉸連接，每節(jié)臂上安裝一個(gè)反作用飛輪提供驅(qū)動(dòng)力矩，因而關(guān)節(jié)處不存在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來的作用力矩／反作用力矩。其后，對(duì)此設(shè)計(jì)概念的研究集中在以控制力矩陀螺（CMGs）為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)上。文獻(xiàn)［２‐３］利用Kane方程建立了以V字構(gòu)型CMGs為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的柱鉸關(guān)節(jié)多剛體機(jī)械臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，指出CMGs能減小機(jī)械臂對(duì)本體的作用力矩，采用CMGs作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)飛輪驅(qū)動(dòng)和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)具有功耗優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)［４］針對(duì)柱鉸關(guān)節(jié)三節(jié)機(jī)械臂系統(tǒng)研究了能量最優(yōu)控制問題。文獻(xiàn)［５］對(duì)傳統(tǒng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)空間

5、機(jī)器人的控制方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述，特別強(qiáng)調(diào)了無反作用力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅能夠減小平臺(tái)擾動(dòng)，還能減小各關(guān)節(jié)間的反作用力矩。以上對(duì)于無反作用力矩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究成果主要集中在設(shè)計(jì)概念和功耗分析方面，對(duì)動(dòng)力學(xué)與控制研究較少；此外，前述研究均采用只提供一個(gè)自由度的柱鉸連接方式。對(duì)于無反作用力矩驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于關(guān)節(jié)為自由關(guān)節(jié)，因而可以采用三自由度球鉸連接方式。采用球鉸可避免柱鉸易出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異，利于軌跡規(guī)劃實(shí)現(xiàn)；而且可利用最少關(guān)節(jié)數(shù)獲得最大運(yùn)動(dòng)自由度，進(jìn)而減少機(jī)械臂使用數(shù)量，從而可降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。國(guó)家自然科學(xué)基

6、金（１１２７２０２７）資助項(xiàng)目收稿日期：２０１３‐０８‐２６。收修改稿日期：２０１３‐１０‐２５１４中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)２０１４年４月本文針對(duì)球鉸關(guān)節(jié)三自由度轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性，采用Rodriguez參數(shù)描述關(guān)節(jié)角位移建立動(dòng)力學(xué)模型。同時(shí)，設(shè)計(jì)的機(jī)械臂工作空間到關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃算法，使得跟蹤控制律不僅可直接用于關(guān)節(jié)空間的軌跡跟蹤控制，也可用于工作空間的軌跡跟蹤控制。所作工作為空間機(jī)械臂系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了新的思路。２系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型系統(tǒng)包括平臺(tái)及一部機(jī)械臂系統(tǒng)，機(jī)械臂系統(tǒng)包括三節(jié)采用球鉸連接的機(jī)

7、械臂。平臺(tái)和每節(jié)機(jī)［６］械臂上均安裝一組金字塔構(gòu)型的CMGs，如圖１（a）所示。這里作如下兩個(gè)合理假設(shè)：１）各CMG繞框架軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其質(zhì)心位置不變；２）各CMG繞其框架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，CMG轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)其安裝運(yùn)動(dòng)體（平臺(tái)或機(jī)械臂）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響可以忽略。動(dòng)力學(xué)建模時(shí)將系統(tǒng)等效為如圖１（b）所示的開鏈多體系統(tǒng)（定義系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)體為Bi（i＝０，１，２，３），其中B０表示平臺(tái)本體，B１，B２，B３分別表示各節(jié)機(jī)械臂），且系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)體具有常值靜矩和慣量矩陣。為描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，定義如下各坐標(biāo)系：１）慣性坐標(biāo)系FI（O

8、—XYZ），原點(diǎn)O可位于慣性空間任意一點(diǎn)，各坐標(biāo)軸固連于慣性空間；２）本體坐標(biāo)系F０（O０—x０y０z０），原點(diǎn)O０位于平臺(tái)質(zhì)心，各坐標(biāo)軸與平臺(tái)本體固連；３）機(jī)械臂Bi體坐標(biāo)系Fi（Oi—xiyizi），原點(diǎn)Oi位于Bi與其內(nèi)接體的鉸接點(diǎn)中心處，各坐標(biāo)軸與Bi固連。圖１系統(tǒng)構(gòu)型與等效多體系統(tǒng)Fig暢１Systemconfigurationandequivalentmulti‐bodysystemT將坐標(biāo)系FO（O＝I，０，１，２，３）的各坐標(biāo)軸單位矢量記為矢陣形式eO＝［eOxeyez］，其中e