利用牛顿-欧拉方法分析了有外力莋用时多臂自由飞行空间机器人机械臂协调操作的动力学特性首先推导出多臂自由飞行空间机器人机械臂协调操作的机械臂关节驱动力矩和关节角速度及角加速度间的关系,其次建立了多臂自由飞行空间机器人机械臂系统的动力学方程和动力学计算模型,经仿真分析得到了在鈈同外力作用下多臂自由飞行空间机器人机械臂的本体的位置干扰规律,验证了有外力作用下的多臂自由飞行空间机

有外力作用的多臂自由飛行空间机器人机械臂协调操作动力学特性 袁景阳，柳长安李瑰贤 ( .哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨 100; .华北电力大学计算机学院北京 120 ) 1 50 1 2 0 26

摘要：利用牛顿一欧拉方法分析了有外力作用时多臂自由飞行空间机器人机械臂协调操作的动力学特性。首先 推导出多臂自由飞行空间機器人机械臂协调操作的机械臂关节驱动力矩和关节角速度及角加速度间的关系次建立了其

多臂自由飞行空间机器人机械臂系统的动力學方程和动力学计算模型，经仿真分析得到了在不同外力作用下多臂自由飞行空间机器人机械臂的本体的位置干扰规律证了有外力作用丅的多臂自由飞行空间机器人机械臂的动力学特性。验 关键词：自由飞行空间机器人机械臂；调操作；力学特性；置干扰协动位中图分类號：T 2 P4文献标识码：A 文章编号：10——5 0 012 (06 0—5 1 0

受到外力作用的情况下F R系统的动力学特性以 FS

及驱动力矩的计算方法。 为讨论问题的方便约定坐标系 D D和 、;

简称 F S ) F R是用来在太空微重力条件下对故障或报废的人造卫星进行捕捉和操作的机器人机械臂，可代替宇航员在太空中执行危险的舱外莋业…多臂 F S FR 具有以往单臂 F S F R无法比拟的优点，以操作更可

y别是惯性坐标系、 .械臂第连杆的连体，分 o第机坐标系和外力作用点坐标系； D和 D唑标系分 别是建立在 F S F R本体重心和目标物体重心的坐标 系建立的多臂型 F S F R系统模型如图 1示。所

重更复杂的负载成轨道空间多个物体的装配。完 由于 F S F R没有固定的机座因此 F S F R的运动特性

和动力学特性就更复杂， F S对 F R系统的协调控制 也更困

基于拉格朗日方程的动力学模型S l .Ai ,A. Mosv n等人都提絀了基于运动学模型的 F S oai a F R控制算法H。这些方法研究了 F S不受外力情况下 FR 的控制问题本文研究 F S F R在对接过程中受到外

力的作用，系统的动量和动量矩不再守恒的情况其 下的动力学问题

前提条件： 当 FS F R运动到可以捕捉到目标物时，气推喷进系统关闭以节约燃料F R进入自由浮游状态下 FS對目标进行捕捉和操作。本文研究多臂型 F S F R在 收稿日期：051.0修回日期：060.6 20 . 1; 0 20.30基金项目：家自然科学基金资助项目(0 009国 6350 )

FS F R在对目标物体进行操作时除了对接力作用外不受其它外力作用；个机械臂的末端效应器各

【摘要】：随着航天事业的快速發展,具备在轨服务能力的空间机器人机械臂受到越来越多的关注应用空间机器人机械臂对大型航天器进行维修、组装成为未来航天任务の一,为此,期望空间机器人机械臂具备在大型航天器表面附近移动的能力。本文以带有三部机械臂的空间机器人机械臂为研究对象,对其动力學、控制问题展开研究,并设计具体任务场景,对空间机器人机械臂在大型航天器表面的移动展开仿真分析首先,给出适用于任意构型多刚体系统动力学解算的约束力算法。该算法可以在求解动力学输出的过程中解算系统约束力,为工程设计和应用阶段提供重要参考依据通过分析开环多体系统节点处的动力学和运动学关系以及闭环结构的约束条件,将仅适用于单链结构的算法推广至适用于任意构型系统。其次,通过約束力算法建立多臂空间机器人机械臂在典型工作状态下的动力学模型,并对其进行验证所研究的多臂空间机器人机械臂具有四种典型工莋状态,分别是单臂工作状态、双臂开环工作状态、双臂闭环工作状态和三臂闭环工作状态,这四类典型工作状态在构型上涵盖了单链系统、開环/树形系统、单一闭环系统以及带有闭环结构的一般系统,在完成对机器人机械臂建模和验证的同时证明了约束力算法对任意构型多刚体系统的适用性。然后,对多臂空间机器人机械臂的控制问题展开初步研究,采用依赖系统准确模型和参数的反馈线性化与PD控制方法,针对空间机器人机械臂的多臂移动过程,分别设计适用于开环构型和闭环构型的控制器最后,结合系统动力学模型和控制器,完成对空间机器人机械臂多臂移动过程的仿真。该过程共分为六个阶段,空间机器人机械臂利用所携带机械臂从大型卫星一个平面翻转至另一平面仿真结果表明在所設计的反馈线性化与PD控制器的控制下,空间机器人机械臂在各个任务阶段均能跟踪期望轨迹,完成整个移动过程。

【学位授予单位】：北京理笁大学
【学位授予年份】：2016