空間機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：我國的經濟社會不斷發(fā)展，科學技術水平不斷提升。在現代科技中，空間技術的地位非常突出。我國發(fā)射的航天器數量不斷增多，想要保障發(fā)射質量，必須應用空間技術，研制出成熟的空間機器人，同時掌握有效的空間機械臂技術。本文將具體探討機械臂建模方法及其控制策略，希望能為相關人士提供一些參考。

關鍵詞：空間機械臂；建模方法；控制策略

引言：進入新世紀以來，我國和國外的經濟文化往來日益密切，全球化的進程不斷加快，國與國之間的競爭日趨激烈。隨著各國空間技術水平的不斷提升，宇航能力成為評價國際地位的重要內容。我國的科學技術突飛猛進，每年發(fā)射了數以百計的衛(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。為了提高我國的綜合競爭力，掌握科學的空間機械臂建模方法和控制策略勢在必行。

1空間機械臂的建模方法

1.1參考系方法

首先，在構建空間機械臂模型時，可以采用參考系方法：第一是浮動坐標系的方法，所謂的浮動坐標系方法，就是結合不同的物理學知識，對空間機械臂進行仿真模擬[1]。在仿真的過程中，空間機械臂被分為底座、機械臂、執(zhí)行系統(tǒng)幾個部分，機械臂可以被看做是柔性結構，而其他組成部分可以看做是剛性結構。在不考慮參照物慣性的基礎上，可以對空間機械臂的虛擬運動進行分解，然后把坐標系形成固化模型，應用數學方法進行固化模型的離散。第二是隨轉坐標系的方法，所謂的隨轉坐標系方法，就是以動力學知識為基礎，對空間機械臂進行移動建模。將空間機械臂放置于隨轉坐標系中，可以對空間機械臂進行水平位移，通過位移情況，可以分析空間機械臂的內部結構，探討空間機械臂的彈性體特征。當進行位移時，坐標系節(jié)點發(fā)生轉角位移，可以形成不同的位移節(jié)點，形成動態(tài)模型。第三是慣性坐標系的方法，所謂的慣性坐標系方法，就是以力學知識作為基礎，對節(jié)點坐標進行分析的方法。空間機械臂在運動時要受到慣性的影響，此時可以根據空間機械臂的慣性位移來構建有限元模型。

1.2柔性體方法

其次，在構建空間機械臂模型時，可以采用柔性體方法。上文已述，按照柔性體方法結構類型的不同，可以把空間機械臂分為柔性結構和剛性結構。所謂的柔性體建模方法，就是以空間機械臂的機械臂作為建模基礎，通過對機械臂的變形程度進行描述來構建立體模型。柔性體方法可以分為兩種：第一是有限元的方法。空間機械臂的運動是無窮無盡的，但是可以根據不同的離散點，判斷空間機械臂的基本運動形態(tài)。在對離散方程進行計算之后，可以得到一個動力學方程式，把具體的參數代入到方程式之中，就能得到空間機械臂的運動速度、機械臂的柔性程度等等。第二是集中參數的方法[2]。為了尋找固定點建立模型，可以把空間機械臂的柔性結構分為若干點，并把不同的點匯聚成剛性片段。這種方法可以實現剛性結合和柔性結構的完美結合，掙脫機械臂的變形束縛。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，需要確定離散方程，對坐標點進行二次劃分，此時機械臂完全為柔性結構。在采用集中參數方法時，需要讓機械臂產生非線性的變形，把柔性結構和剛性結構相統(tǒng)一，以此來判斷柔性機械臂的動力形態(tài)。

1.3方程構建方法

再次，在構建空間機械臂模型時，可以采用方程構建方法：第一是平動方程方法，在應用這一方法時，要應用牛頓第二定律和歐拉原理，把握空間機械臂中各個結構單元之間的關系。通過這一方程構建出來的模型比較容易分析，但是經常會受到外部的干擾，如果模型中的未知變量過多，模型的精確性就會受到不利影響。第二是力學方程方法，在應用這一方法時，要從力學的角度對方程坐標進行判斷。在力學坐標中，可以根據空間機械臂的運動軌跡計算其動能和勢能，把這些計算結果作為參數，可以構建完整的動力學模型。第三是動力方程方法，在應用這一方法時，應該引入速度概念，對空間機械臂的動力系統(tǒng)進行分析，并依據偏角速度和系統(tǒng)之間的關系構建模型。與前兩種方法相比，動力方程的計算效率更高，物理意義更加明確，因此其所構建出來的模型實用價值更高[3]。

2空間機械臂的控制策略

在控制空間機械臂的過程中，可以先形成坐標系，在坐標系上繪制出空間機械臂的運動圖示，對空間機械臂進行虛擬控制。具體來說，應該做到以下幾點：第一，應該確定空間機械臂的基本結構，在自然坐標系中繪制內臂和外臂兩個柔性結構。第二，應該在內臂和外臂的關節(jié)處施加一個控制力，對空間機械臂進行限制，規(guī)范空間機械臂的運動速度和運動角度。第三，可以采用PD控制器，對柔性機械臂進行智能操控。第四，可以制定空間機械臂的運動方案。當控制周期一定時，可以發(fā)現空間機械臂的方位角和時間呈正比關系。機械臂運動處在0到T/2時，角速度在T/2達到了最大，但是當機械臂運動處在T/2到T，角速度在T達到了0。此時可以根據角速度和周期的關系構建動力學方程式，求出規(guī)劃方位的角速度，對空間機械臂進行控制[4]。

結論：綜上所述，隨著我國經濟社會的不斷發(fā)展，科學技術水平也在不斷提升。空間技術是重要的現代化技術之一，提高空間機器人的研發(fā)效率，提升空間機械臂技術應用效率可以促進我國衛(wèi)星事業(yè)發(fā)展，因此應該掌握科學的空間機械臂建模方法和控制策略。

參考文獻：

[1]鄧雅. 空間機械臂建模及軌跡跟蹤控制方法研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2013.

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

[3]鄭棋棋，湯奇榮，張凌楷，黎杰，謝宗武，劉宏. 空間機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. 漂浮基空間機械臂動力學問題研究進展[J]. 中國機械工程，2016，15：2118-2129.