[发明专利]一种柔性空间机械臂振动控制方法及系统

说明书

本发明涉及一种柔性空间机械臂振动控制方法，由关节力矩计算得到返回波，返回波包含系统振动信息，返回波叠加在输入中，对输入进行实时整形，整形后的输入经过关节PD控制，控制机械臂运动，从而通过对返回波的吸收，达到振动抑制的目的；返回波计算中加入指数函数修正项，修正项具有快速衰减的特点，可以确保运动结束后，返回波接近于零。本发明有如下有益效果：通过对现有波形控制方法进行改进，尤其对返回波的计算方法进行了改进，在实现振动控制的同时保证位置跟踪精度；通过搭建柔性空间机械臂地面试验系统，本发明上述方法得到了验证。

技术领域

本发明涉及机械臂控制领域，尤其涉及一种柔性空间机械臂振动控制方法及系统。

背景技术

空间机械臂是航天器在轨组装与维护的核心装备。但由于空间机械臂操作空间大，质量轻等特点，造成柔性问题比较突出。机械臂的柔性会严重影响机械臂末端操作精度。因此对于柔性空间机械臂的振动控制非常重要。

以往振动控制方法大部分依赖于精确的动力学模型，但当系统有不确定性或变化时，效果变差。

波形控制是新兴起的以一种新的视角来处理离散柔性体的方法，它将柔性臂的运动看作波的传递，通过对执行器与柔性臂接口部分进行测量，计算出波的信息，通过对返回波的吸收，从而达到振动抑制的目的，因此波形控制非常适合对同时具有关节柔性和臂杆柔性的机械臂进行控制，与此同时，又不会增加控制系统的复杂性。与其他控制方法相比，波形控制不需要精确的物理模型，简单易实现，有较强的鲁棒性，能适用于不同的控制对象。

但传统波形控制方法会产生较大静态误差。

发明内容

本发明提出一种改进的柔性空间机械臂振动控制方法及系统，实现柔性空间机械臂的振动控制，减小静态误差。

本发明解决上述技术问题的柔性空间机械臂振动控制方法包括如下步骤：由关节力矩计算得到返回波，返回波包含系统振动信息，返回波叠加在输入中，对输入进行实时整形，整形后的输入经过关节PD控制，控制机械臂运动，从而通过对返回波的吸收，达到振动抑制的目的；返回波计算方法如下：

其中θ_b(t)为返回位移，θ₀(t)是指执行器输入期望值θ_d(t)的一半；τ₀(t)为与执行器直接关联的柔性关节扭簧的力矩；Z为第一个单元的机械阻抗系数，可选为常值；k₂代表e指数函数系数，t代表时间。

在一些实施例中，柔性空间机械臂振动控制方法还可包括如下特征：

k2的取值跟规划时间相关，具体计算方法如下：

其中，T为机械臂关节运动时间；E为一个数值很大的量，其值跟系统控制精度相关。

使得执行器能够跟踪输入值，从而使得

将电机转角和关节力矩将作为反馈信息参与到返回位移的计算中，即

其中Θ_w为关机电机的实际输入值，它通过利用波形控制器将期望输入进行整形得到。

通过PD控制得到电机输出力矩τ_s，即

K_p和K_d分别为比例和微分控制系数矩阵。

进一步地，

对于点到点的运动，系统的最终稳定状态为且