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参数不确定漂浮基柔性空间机械臂载体姿态、关节协调运动及柔性振动主动抑制的混合控制方案 第29卷第11期 振动与冲击 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK 参数不确定漂浮基柔性空间机械臂载体姿态,关节 协调运动及柔性振动主动抑制的混合控制方案 洪昭斌,陈力 (福州大学机械工程及自动化学院,福州350108) 摘要:讨论了载体位置不受控,姿态受控情况下,漂浮基柔性空间机械臂系统可保证载体姿态,关节角协调运动 变结构控制鲁棒性并同时抑制所产生柔性振动的混合控制方案.该变结构控制仅设计来完成渐近解耦的载体姿态及关 节角轨迹追踪,而不能对柔性振动模态进行控制;为了主动抑制柔性杆的振动,使用虚拟控制力的观念生成了变结构控制 所需的混合轨迹,从而为柔性空间机械臂设计了追踪混合轨迹的混合控制方案.数值仿真结果证实了该混合控制方案在 系统参数不确定情况下,能够使载体姿态及机械臂关节角稳定地追踪期望轨迹并对所产生的柔性振动进行主动抑制. 关键词:漂浮基柔性空间机械臂;混合控制;变结构控制;柔性振动控制;虚拟控制力;不确定参数 中图分类号:TP241文献标识码:A 在未来的空间活动中,利用空间机械臂完成各种 空间作业,已被各国空间技术研究人员共同认识到是 一 种行之有效的最佳选择,对空问机器人动力学与控 制的研究也因此受到了国内外众多学者的关注¨一. 由于空间环境下液体控制燃料极其宝贵,使用载体位 置,姿态均不受控制的自由浮动空间机械臂系统将可 最大限度地节省燃料,但在某些特定情况下,如为了保 持无线电通讯联络,要求航夭器上的天线指向地面的 某一指定区域,太阳能帆板保持正常工作需要不问断 地朝向太阳,这些情况下必须使用载体姿态受控的空 间机械臂系统.因此,研究机械臂操作期间载体姿态 与关节协调运动的控制问题有重要的实际意义.同 时,空间机械臂一般具有质量轻,手臂长和负载大等特 点,而随着机器人控制技术的不断发展,必须考虑臂杆 柔性的对整个系统的影响才能获得更好的控制精度和 性能.然而,考虑臂杆的柔性会使空问机器人系统的 建模更加复杂,这使得为具有不确定参数的漂浮基柔 性空间机械臂系统设计综合轨迹追踪控制器变得很有 挑战性. 自20世纪80年代后,对柔性空间机械臂建模和 控制的研究成为空间机器人和控制领域的研究重点. 从那时开始,各种控制方法都尝试地应用到柔性空间 机械臂上.文献[8]利用假设模态法对双臂柔性空间 机器人系统进行动力学建模并对机械臂关节铰的轨迹 跟踪进行简单控制;文献[9]将虚拟刚性机械臂和假设 运动反解相结合,设计了柔性空间机械臂模型的扩展 PD控制;文献[10]利用计算力矩法对平面柔性空间机 基金项目:国家自然科学基金项10672040,福建省自然科学 基金项目E0410008 收稿日期:2009—06一l1修改稿收到Et期:2009—09—03 第一作者洪昭斌男,博士生,1982年9月生 械臂系统设计了解耦的轨迹追踪控制方案.在针对柔 性空间机械臂设计的各种控制方案中,变结构控制因 为其简单有效以及强鲁棒性而特别适合这样的复杂系 统.变结构控制可以直接设计来完成解耦的柔性空间 机械臂载体姿态及关节角协调运动.然而,利用变结 构控制理论对载体姿态及关节角进行控制时,柔性杆 的振动模态仍然没有得到控制,这将直接影响变结构 控制器的控制精度. 在地面柔性机械臂上,已经有许多控制方法可实 现对柔性振动的实时主动控制.文献[11]利用假设模 态法对旋转运动柔性梁进行建模及动力特性研究;文 献[12]介绍了一种利用两个滑模面来分别控制关节角 和柔性杆的柔性模态的变结构控制方案.此外,复合 控制方案[13—15]也被广泛使用,它将关节角控制器 和柔性振动主动控制器直接叠加,但显然这种直接叠 加将会削弱为关节运动所设计控制器的鲁棒性.而文 献[16]利用虚拟控制力观念来重新规划地面柔性机械 臂的期望轨迹,其仿真实验也证实了该控制方法要优 于一般的复合控制方案. 为了同时解决漂浮基柔性空间机械臂轨迹跟踪和 振动抑制的问题,本文同样利用虚拟控制力的观念为 柔性空间机械臂的载体姿态及关节角生成一个新的期 望轨迹,该期望轨迹可同时反映载体姿态,关节角的期 望运动和柔性杆的柔性模态.随后设计了相应的变结 构控制器使载体姿态及关节角追踪这个新产生的期望 轨迹,而在这个过程中,柔性振动也可随之得到主动控 制.最后,使用本文设计的混合控制方案对漂浮基柔 性空间机械臂系统进行数值仿真,仿真结果证实了该 控制方案在系统具有不确定参数时仍能保证系统追踪 最终的期望轨迹并使柔性振动得到主动抑制. 1漂浮基柔性空间机械臂系统动力学 不失一般性,考虑做平面运动的自由漂浮柔性空 第11期洪昭斌等:参数不确定漂浮基柔性空间机械臂载体姿态,关