空间机器人系统动力学建模与控制仿真研究(2)

统，进行系统闭环控制仿真．采用的实例是一个带有

六自由度机械臂的空间机器人，系统出基座航天器、

六自由度机械臂、在轨可更换单元（ＯＲＵ）组成．在

基座姿态受控的情况下，机械臂末端执行器夹持可

更换单元（ＯＲＵ）在基座正上方０．７ｍ处作半径为

０．５

ｍ的圆周运动．可将系统作为一个多刚体系统，

并将ＯＲＵ和空间机器人第六杆等效看作一个整体，各刚体的质量特性如表１．系统的Ｄ—Ｈ坐标系如图２所示．本文采用虚拟机械臂“３的方法来进行空间机器人系统的逆运动学计算，并进行路径规划（所规划的路径为０．５ｍ的圆周）．实际机械臂和相应的虚拟

圈２空问机器人系统Ｄ—Ｈ坐标系

裹１最统质量特性

其中

２．４速动力学模型的建立

程。它和空间机器人系统的运动学和动力学模型一起构成空间机器人系统的动力学建模与仿真系统．

２．５动力学方程的计算过程

空间机器人系统动力学建模与控制仿真研究

胡松华等：空问机器人系统融力学建模与控制访真研究

１９８１

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关节角加速疰期望精＾

机槭臀运动对基座产生的干扰力矩

（作为基座控捌的曲愤补偿）

匡亘丑一兰节角遗度船黛轴＾ｒ—

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机械臂的Ｄ—Ｈ参数如表２所示．

裹２机械臂Ｄ－Ｈ参数

实际机械臂Ｄ－Ｈ参数

只

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基窿娶鸯控村部分

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围３仿真采用的系统控制框圈

图４给出了机械臂末端执行器跟踪误差和基座

姿态控制误差．限于篇幅，本文就不给出所有仿真结

相应虚拟机械臂ＩＮＨ参敦

Ｂ

目

果图，给出部分数据范围：机械臂各关节角的角度跟踪误差一０．４８１。～Ｏ．４１７。，角速度控制误差一０．０９８～０．０８４（。）／ｓ，机械臂各关节控制力矩一０．１９５～

０．１３５

４．／ｍｄ，ｔｍ

ｄ。／ｍｄ．／ｍ

Ｎｍ，机械臂运动对基座的扰动力矩一０．１８２

～ｏ．１３４Ｎｍ在机械臂的运动过程中基座各轴向最

大漂移为０．１０４ｍ．基座控制力矩一０．１９０～０．１５１

Ｎｍ之间．

机械臂关节控制器采用计算力矩加ＰＤ的控制策略，基座采用ＰＤ加干扰力矩前馈补偿来控制其

５结

论

运动学和动力学的数学建模是空间机器人研究的一个难点．本文对空间机器人的动力学建模和控制仿真问题进行了研究，并建立了空间机器人的建模与控制仿真系统，解决了动力学方程中非线性项的计算问题．本文建立的建模与控制仿真系统可以方便、快捷地完成空间机器人系统的运动学和动力学建模，同时机械臂关节控制部分和基座姿态控制

姿态以保持稳定，图３给出了其仿真用控制框图．

４仿真结果

部分可根据需要采用各种不同的控制器．能够用来

验证协调控制等复杂控制方法，并能给出详细的仿真数据和结果．仿真结果表明．建立的运动学、动力学模型合理、可信。并取得了较好的控制效果．

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（下转第１９８７页）

圈４末螺执行器量踪馁麓豆基座姿态角误差

空间机器人系统动力学建模与控制仿真研究

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