Adams空间复杂机械臂动力学仿真研究(2)
结 论 30
一、根据本课题实例模型变化和曲线分析出如下结论： 30
二、自编程序与商业软件比较 30
三、工作总结 30
四、问题与展望 30
致 谢 32
参考文献 331 绪论
1.1 工程背景
随着我国经济、科技飞速发展，登上太空已经不再是梦想。不久前我国交会对接成功，空间站的搭建已经迫在眉睫，随之带来的是一系列的复杂的力学问题，本课题就空间机械臂进行动力学的研究和仿真。空间站上将服役有具有不同功能的机械臂，利用安装在航天器上的机械臂从事释放、回收卫星及空间站的在轨建造、文修等各种任务, 可减少宇航员舱外活动, 避免生命危险和节省出舱费用。这其中将有远程操作手，这些操作手的结构复杂，是空间构型的，其动力学性态复杂。空间机械臂其基本特点是抓手工作半径大，杆件质量轻、刚度小, 负载的质量变化范围广。
1.2 数学工具和力学理论基础
由上可以知晓，空间机械臂拥有较小的刚度，即机械臂本身是柔性体，柔性多体动力学是最近20年里兴起的学科，而柔性机械臂正是柔性多体动力学的典型代表。多体系统动力学是在经典力学基础上产生的新学科分支。最早由欧拉、拉格朗日等人奠基的经典刚体动力学发展至今己经有约两百年。对于刚体的平面运动或定轴转动的研究还可上溯到更久远的年代。经典刚体动力学的主要研究对象是单个刚体，研究成果可以解释一些重要的力学现象。推导多柔体系统动力学控制方程的基本原理和方法与一般的力学问题一样，可分为三类。第一类为牛顿一欧拉向量力学法，第二类为以拉格朗日方程为代表的分析力学方法，第三类方法是基于高斯原理等具有极小值性质的变分原理方法。
相对于刚性机器臂来说，柔性机器臂系统具有驱动器小、操作速度高、能量消耗低、载荷质量比大等许多优点，于是柔性机器臂越来越广泛地得到应用。然而对于柔性机器臂来说，随着机器臂工作速度的不断提高，机构力将成为柔性机械臂变形的主要原因。另外，柔性机器臂存在的严重的柔性振动也是柔性机器臂研究中的一大难题。因此，必须尽可能精确分析柔性机器人在高速情况下的。随着电脑科技的不断发展，计算能力的不断提高，有限元法解决柔性机械臂动力学问题被广泛的应用，大型运算软件也不断的被开发应用。近些年国内外学者在该领域做了大量的研究，例如利用ADMAS和ANSYS等大型软件解决复杂的柔性体机械臂动力学问题。如何提高计算效率、缩短计算时间，便于实时控制(动力学控制)。Lindberg和Longman最早提出了安装在载体上的机械臂动力学模型，并研究了机械臂运动与载体运动的耦合问题。Vafa和Dubowsky提出虚机械臂概念使空间机械臂动力学问题得到简化。Umetani和Yoshida提出空间机械臂广义的Jacobi矩阵，并用于空间机械臂逆动力学的讨论。对于非线性机械臂模型Naganathan G提出了更加有效率的模型，利用开发的程序，可以很容易地扩展空间机械臂的移动副。
对于机械臂的动力学模型主要有矢量力学方法和分析力学方法，对于柔性关节的动力学问题Shaheen Ahmad总结了前人的研究并在这基础上提出了更加有效的计算分析方法,即不需要测量末端力和加速的即可对机械臂进行约束控制，并且可以有效的减轻机械臂在约束运动时的振动。Spong，Readman对该领域也做了更深层的研究，考虑到柔性臂和柔性关节的耦合边宇枢、陆震提出了一种具有叠加性、递推性的通用动力学模型[14]。还有Kane方法是近二十年发展的一种新的方法。