空間機(jī)械臂建模方法與控制策略的分析

楊世黃

（杭州三花微通道換熱器有限公司 310018）

摘 要：我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平不斷提升。在現(xiàn)代科技中，空間技術(shù)的地位非常突出。我國(guó)發(fā)射的航天器數(shù)量不斷增多，想要保障發(fā)射質(zhì)量，必須應(yīng)用空間技術(shù)，研制出成熟的空間機(jī)器人，同時(shí)掌握有效的空間機(jī)械臂技術(shù)。本文將具體探討機(jī)械臂建模方法及其控制策略，希望能為相關(guān)人士提供一些參考。

關(guān)鍵詞：空間機(jī)械臂；建模方法；控制策略

引言：進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國(guó)和國(guó)外的經(jīng)濟(jì)文化往來日益密切，全球化的進(jìn)程不斷加快，國(guó)與國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。隨著各國(guó)空間技術(shù)水平的不斷提升，宇航能力成為評(píng)價(jià)國(guó)際地位的重要內(nèi)容。我國(guó)的科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，每年發(fā)射了數(shù)以百計(jì)的衛(wèi)星。值得注意的是，在衛(wèi)星發(fā)射的過程中，還存在一些故障問題亟待解決。為了提高我國(guó)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力，掌握科學(xué)的空間機(jī)械臂建模方法和控制策略勢(shì)在必行。

1空間機(jī)械臂的建模方法

1.1參考系方法

首先，在構(gòu)建空間機(jī)械臂模型時(shí)，可以采用參考系方法：第一是浮動(dòng)坐標(biāo)系的方法，所謂的浮動(dòng)坐標(biāo)系方法，就是結(jié)合不同的物理學(xué)知識(shí)，對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行仿真模擬[1]。在仿真的過程中，空間機(jī)械臂被分為底座、機(jī)械臂、執(zhí)行系統(tǒng)幾個(gè)部分，機(jī)械臂可以被看做是柔性結(jié)構(gòu)，而其他組成部分可以看做是剛性結(jié)構(gòu)。在不考慮參照物慣性的基礎(chǔ)上，可以對(duì)空間機(jī)械臂的虛擬運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解，然后把坐標(biāo)系形成固化模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行固化模型的離散。第二是隨轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的方法，所謂的隨轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法，就是以動(dòng)力學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行移動(dòng)建模。將空間機(jī)械臂放置于隨轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，可以對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行水平位移，通過位移情況，可以分析空間機(jī)械臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探討空間機(jī)械臂的彈性體特征。當(dāng)進(jìn)行位移時(shí)，坐標(biāo)系節(jié)點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)角位移，可以形成不同的位移節(jié)點(diǎn)，形成動(dòng)態(tài)模型。第三是慣性坐標(biāo)系的方法，所謂的慣性坐標(biāo)系方法，就是以力學(xué)知識(shí)作為基礎(chǔ)，對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行分析的方法。空間機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到慣性的影響，此時(shí)可以根據(jù)空間機(jī)械臂的慣性位移來構(gòu)建有限元模型。

1.2柔性體方法

其次，在構(gòu)建空間機(jī)械臂模型時(shí)，可以采用柔性體方法。上文已述，按照柔性體方法結(jié)構(gòu)類型的不同，可以把空間機(jī)械臂分為柔性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)。所謂的柔性體建模方法，就是以空間機(jī)械臂的機(jī)械臂作為建模基礎(chǔ)，通過對(duì)機(jī)械臂的變形程度進(jìn)行描述來構(gòu)建立體模型。柔性體方法可以分為兩種：第一是有限元的方法?？臻g機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)是無窮無盡的，但是可以根據(jù)不同的離散點(diǎn)，判斷空間機(jī)械臂的基本運(yùn)動(dòng)形態(tài)。在對(duì)離散方程進(jìn)行計(jì)算之后，可以得到一個(gè)動(dòng)力學(xué)方程式，把具體的參數(shù)代入到方程式之中，就能得到空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度、機(jī)械臂的柔性程度等等。第二是集中參數(shù)的方法[2]。為了尋找固定點(diǎn)建立模型，可以把空間機(jī)械臂的柔性結(jié)構(gòu)分為若干點(diǎn)，并把不同的點(diǎn)匯聚成剛性片段。這種方法可以實(shí)現(xiàn)剛性結(jié)合和柔性結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，掙脫機(jī)械臂的變形束縛。這種方法和有限元方法具有較大的差異性。在采用有限元方法時(shí)，需要確定離散方程，對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行二次劃分，此時(shí)機(jī)械臂完全為柔性結(jié)構(gòu)。在采用集中參數(shù)方法時(shí)，需要讓機(jī)械臂產(chǎn)生非線性的變形，把柔性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)相統(tǒng)一，以此來判斷柔性機(jī)械臂的動(dòng)力形態(tài)。

1.3方程構(gòu)建方法

再次，在構(gòu)建空間機(jī)械臂模型時(shí)，可以采用方程構(gòu)建方法：第一是平動(dòng)方程方法，在應(yīng)用這一方法時(shí)，要應(yīng)用牛頓第二定律和歐拉原理，把握空間機(jī)械臂中各個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的關(guān)系。通過這一方程構(gòu)建出來的模型比較容易分析，但是經(jīng)常會(huì)受到外部的干擾，如果模型中的未知變量過多，模型的精確性就會(huì)受到不利影響。第二是力學(xué)方程方法，在應(yīng)用這一方法時(shí)，要從力學(xué)的角度對(duì)方程坐標(biāo)進(jìn)行判斷。在力學(xué)坐標(biāo)中，可以根據(jù)空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算其動(dòng)能和勢(shì)能，把這些計(jì)算結(jié)果作為參數(shù)，可以構(gòu)建完整的動(dòng)力學(xué)模型。第三是動(dòng)力方程方法，在應(yīng)用這一方法時(shí)，應(yīng)該引入速度概念，對(duì)空間機(jī)械臂的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析，并依據(jù)偏角速度和系統(tǒng)之間的關(guān)系構(gòu)建模型。與前兩種方法相比，動(dòng)力方程的計(jì)算效率更高，物理意義更加明確，因此其所構(gòu)建出來的模型實(shí)用價(jià)值更高[3]。

2空間機(jī)械臂的控制策略

在控制空間機(jī)械臂的過程中，可以先形成坐標(biāo)系，在坐標(biāo)系上繪制出空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)圖示，對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行虛擬控制。具體來說，應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：第一，應(yīng)該確定空間機(jī)械臂的基本結(jié)構(gòu)，在自然坐標(biāo)系中繪制內(nèi)臂和外臂兩個(gè)柔性結(jié)構(gòu)。第二，應(yīng)該在內(nèi)臂和外臂的關(guān)節(jié)處施加一個(gè)控制力，對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行限制，規(guī)范空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)角度。第三，可以采用PD控制器，對(duì)柔性機(jī)械臂進(jìn)行智能操控。第四，可以制定空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方案。當(dāng)控制周期一定時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)空間機(jī)械臂的方位角和時(shí)間呈正比關(guān)系。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)處在0到T/2時(shí)，角速度在T/2達(dá)到了最大，但是當(dāng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)處在T/2到T，角速度在T達(dá)到了0。此時(shí)可以根據(jù)角速度和周期的關(guān)系構(gòu)建動(dòng)力學(xué)方程式，求出規(guī)劃方位的角速度，對(duì)空間機(jī)械臂進(jìn)行控制[4]。

結(jié)論：綜上所述，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平也在不斷提升?？臻g技術(shù)是重要的現(xiàn)代化技術(shù)之一，提高空間機(jī)器人的研發(fā)效率，提升空間機(jī)械臂技術(shù)應(yīng)用效率可以促進(jìn)我國(guó)衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展，因此應(yīng)該掌握科學(xué)的空間機(jī)械臂建模方法和控制策略。

參考文獻(xiàn)：

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[2]莫洋. 大型空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模與穩(wěn)定控制策略[D].北京理工大學(xué)，2016.

[3]鄭棋棋，湯奇榮，張凌楷，黎杰，謝宗武，劉宏. 空間機(jī)械臂建模及分析方法綜述[J]. 載人航天，2017，01：82-97.

[4]谷勇霞，張玉玲，趙杰亮，閻紹澤. 漂浮基空間機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)問題研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2016，15：2118-2129.