空间机器人系统动力学建模与控制仿真研究

空间机器人系统动力学建模与控制仿真研究

２００５中国控制与决策学术年会论文集

１９７８

Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ

ｏｆ２００５ＣｈｉｎｅｓｅＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＤｅｃｉｓｉｏｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ

空间机器人系统动力学建模与控制仿真研究

胡松华１，薛力军１，强文义１，粱斌２，李

（１．哈尔滨工业大学控制科学与工程系，黑龙江哈尔滨１５０００１｝

成２

２．哈尔滨工业大学深圳研究院深圳空间技术发展中心，广东探圳５１８０５７）

摘

要：推导了空间机器＾系统的运动学及动力学方程，解决了动力学非线性项计算的问题．井培出了详细算法，

建立了空问机器人的动力学建模与控制仿真系统，用该系统对规划的路径进行闭环控制仿真，结果表明所建立的建模与控制仿真系统可以方便地完成空间机器人系坑的运动学和动力学分析，能够对各种复杂控制方法的进行仿

真．

关键词：空问机器＾｝动力学建模，非线性项｛控制仿真

Ｓｔｕｄｙ

ｏｎ

ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｐａｃｅｒｏｂｏｔ

Ｈ矿Ｓｏｎｇ—ｈｕａｌ，ＸＵＥＬｉ一血ｎ１，ＱＩＡＮＧＷｅｎ—ｙｉｌ，ＬＩＡＮＧＢｉｎ２，ＬＩＣｈｅｎ９２

（１

Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ

ｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｃｉｅｎｃｅ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

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Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｔ

Ｔｅｃｈ—ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ

１５０００１，Ｃｈｉｎａ５１８０５７，Ｃｈｉｎａ－

２Ｓｈｅｎｚｈｅｎ

Ｓｐａｃｅ

Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ

Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ：ＨＵＳｏｎｇ—ｈｕａ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｓｈ２００３＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｓｓｏｌｖｅｄａｎｄ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐａｃｅｒｏｂｏｔ；ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒｐａｒｔ；ｃｏｎｔｒｏｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｔｈｉｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ｃｌｌｎ

ｂｅ

ｔｅｓｔ

ｍａｎｙｋｉｎｄｓｏｆｏｔｈｅｒｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ

１引言

等［““，还有Ｂａｒｙｃｅｎｔｅｒ向量推导的动力学模型口］、

虚拟机械臂Ⅲ（ＶＭ）以及动力学等效机械臂“３

空间机器人的应用将对未来宇宙开发具有重要意义，它可以代替字航员完成某些舱外动作，降低风险和成本．空间机器人系统是由基座航天器和其上安装的机械臂组成，基座在惯性空间可以自由移动和旋转，因此整个系统的运动和地面固定基座机器人相比，增加了６个自由度，这使得系统的运动学和

（ＤＥＭ）等方法．其中虚拟机械臂（ＶＭ）是一个理想的无质量的运动学链，其主要作用在于逆运动学（轨迹规划）以及求取实际机械臂（ｓＭ）的工作空间．动力学等效机械臂（ＤＥＭ）则继承了虚拟机械臂的大多数特点。区别在于ＤＥＭ不但有运动学还有动力学，并且可以在实际中建造出来，而ＶＭ不能．Ｙ．

Ｕｍｅｔａｎｉ和Ｋ．Ｙｏｓｈｉｄａ给出了基于广义雅可比矩

动力学问题变得更为复杂，因此其运动学和动力学

建模成为空间机器人系统的～个研究重点．虽然直接使用Ａｄａｍｓ仿真软件，可以避开复杂的动力学建

阵“１的分解运动速度控制方法．Ｋ．Ｙｏｓｈｉｄａ等开发了Ｍａｔｌａｂ的工具箱ＳｐａｃｅＤｙｎｎ３可以用来进行空间

模过程，但在使用较为复杂的算法时很不方便．

目前空间机器人的动力学建模方法主要有：拉

机器人动力学的计算．王吴瀛等（８３给出了空间机器

人的动力学模型，但并没有给出其中的非线性项的求解．本文给出了空间机器人系统运动学与动力学

格朗日方法、牛顿一欧拉法、哈密尔顿方法、凯恩方法

基金璜目；国家８６３计划资助项目（２００２ＡＡ７４２０１０）．

作者简介：胡松华（１９８２一）．男，湖北大冶人．博士生，从事智能机器人，空间机器人研究

空间机器人系统动力学建模与控制仿真研究

胡松华等：空间机器人系统动力学建模与控制仿真研究

１９７９

的完整推导过程，重点给出了动力学非线性项的计

算方法，并根据所推导数学模型建立了空间机器人系统的建模和仿真系统，用该仿真系统进行了空问机器人系统用环控制的仿真．

２空问机器人动力学模型推导

２．１符号定义

爪

基座航天器

定义向量ｒ一［‘ｏ

ｒ。］Ｔ的矩阵函数ｒ。为

ｒｘ—ｌＬ－ｏ

ｊ‘讨Ｊ

‘

Ｏ

拉角；ｚ。∈Ｒ３为基座航天器位置ｌ’ｒ。∈Ｒ３为基座航量；７ｎ∈Ｒ３为机械臂第＾杆的质心位置向量；。ｒＩ∈Ｒ３为系统的质心位置向量；。Ｐ ∈Ｒ３为关节＾的位

置向量；。咄ＥＲ３为机械臂第ｉ杆的角速度；７仉∈Ｒ。

为基座的速度（一７～）７玑∈Ｒ３为机械臂末端的速度

（＃。ｒ。）．

２．２运动学方程的建立

空间机器人系统机械臂末端的速度和角速度‘的

在惯性系中可表示为

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㈣

其中

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…，’ｚ。×（７ｒ，一７Ａ）］，

Ｊ＾．一［ｋ１，ｋ２，…，７≈］．

空间机器人在自由飘浮状态时，如果忽略空间

微重力环境系统所受的重力及其它干扰外力／力矩，

则系统动量守恒．假设初始时刻的系统动量为０，则

系统线动量和角动量守恒方程可表示为

［三］＝Ｈ，［乏］＋Ⅳ：ｉ。＝。．

ｃｚ，

其中

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