一种柔性空间机械臂的刚体运动和柔性振动复合控制方法

第 3 9卷第 5期 2 0 1 3年 1 0月

空间控制技术与应用Ae r o s p a c e Co nt r o l a n d App l i c a t i o n 1 3

一

种柔性空间机械臂的刚体运动和柔性振动复合控制方法术葛东明，史纪鑫，邹元杰(北京空间飞行器总体设计部，北京 1 0 0 0 9 4 )

摘要：针对柔性空间机械臂的刚体运动控制和柔性体振动抑制问题，给出了一种反馈和前馈复合控制方法.对于一个柔性双连杆机械臂，首先设计反馈线性化控制器，消除非线性影响，实现大范围的刚体运动控制 .其次基于闭环回路响应的振动特性，设计输入成型前馈控制器，预成型控制命令，抑制对结构振动影响显著的某些模态响应 .最后仿真结果证实了给出的反馈线性化和输入成型

复合控制方法，可以实现精确的位置控制，同时机械臂的残余振动得到了有效的抑制. 关键词：机械臂；柔性；复合控制；振动抑制；输入成型中图分类号： V 4 1 4 文献标识码： A 文章编号：1 6 7 4— 1 5 7 9 ( 2 0 1 3 ) 0 5— 0 0 1 3— 0 6DoI:1 0 . 3 9 6 9/ i . i s s n . 1 6 7 4一 l 5 7 9 . 2 0 1 3 . 0 5 . 0 0 3

A Co m po s i t e Co nt r o l Me t h o d f o r Fl e x i b l e Sp a c e Ma n i p ul a t o r s wi t hRi g i d- Bo d y Mo t i o n a nd Fl e x i bl e Vi br a t i o nG E Do n g mi n g,S HI J i x i n,Z OU Yu a n j i e

( B e q i n g I n s t i t u t e o f S p a c e e r@ S y s t e m E n g i n e e r i n g, B e j i i n g 1 0 0 0 9 4, C h i n a )Abs t r a c t: F o r t h e r i g i d— b o d y mo t i o n c o n t r o l a n d v i b r a t i o n s u p p r e s s i n g o f f l e x i b l e s p a c e ma ni p u l a t o r s,a c o n t r o l m

e t h o d c o mbi ni ng￣ e d ba c k a n d f e e d— f o r wa r d s c h e me s i s p r e s e n t e d . Fi r s t l y,f o r a le f x i b l e t wo— l i nk ma n i p u l a t o r,a f e e d b a c k l i n e a r i z a t i o n c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d t o c a n c e l t h e n o n l i n e a r e f f e c t s a n d r e a l i z e t h e c o n t r o l o f l a r g e— s c a l e r i g i d— b o d y mo t i o n. S e c o n d l y, b a s e d o n t h e v i b r a t i o n pr o p e r t i e s o f c l o s e d— l o o p r e s po ns e s,a n i n p u t - s h a pi n g f e e d— f o r wa r d c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d t o p r e s h a p e t h e c o mma n d s .As a r e s u l t,t h e

mo d a l r e s p o n s e s t h a t ha v e s i g n i f i c a n t c o n t r i b u t i o ns t o s t r u c t ur a l v i br a t i o n s c a n be s up p r e s s e d. Fi n a l l y,s i mu l a t i o n r e s u l t s d e mo ns t r a t e t h a t t he￣ e d b a e k l i n e a r i z a t i o n a p p r o a c h a n d t h e i n p u t - - s ha p i n g - b a s e d me t h— - o d c a n a c h i e v e pr e c i s e p o s i t i o n c o n t r o l,a n d s u p pr e s s t h e r e s i d u a l v i b r a t i o n s o f t h e ma n i pu l a t o r e fe e—t i v e l y.

Ke y wo r ds: ma n i p u l a t o r;f le x i b l e;c o mp o s i t e c o

n t r o l;v i b r a t i o n s u p p r e s s i n g; i np u t— s h a p i n g

相比于刚性机械臂，航天应用更青睐于柔性机械臂，其具有质量轻、惯性小、能耗低、机动灵活等优点 .然而，挠性结构的控制问题却具有巨大的挑战性，尤其是需要精确的位置和指向控制 .这主要是因为柔性变形使得机械臂具有极其复杂的动力学特性，即结构振动、刚柔耦合、强非线性的时变结构等特点.因此，在对柔性机械臂进行大范围的刚体运动

控制的同时，必须对柔性特征给予足够的重视，避免其与刚性运动耦合影响稳定性和降低控制精度 .柔性机械臂的控制策略分为前馈控制和反馈控

制.振动抑制的前馈控制方法主要利用系统的物理特性和振动特性，设计控制输入命令，抑制结构的振动响应 .在前馈振动抑制技术中，输入成型是一

种有效的方法

,其利用系统结构频率和阻尼，设

民用国家重点基础研究发展计划 ( 9 7 3 )资助项目( 2 0 1 3 C B 7 3 3 1 0 0 )和总装预研基金资助项目( 9 l 4 O A 2 0 0 1 0 4 1 2 H| r 0 5 2 3 1 )收稿日期： 2 0 1 3 - 0 5— 0 l

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