空间矢量法优化的七自由度冗余机械臂动力学与控制研究

本文主要探讨了空间固定基座机械臂的正向动力学，特别是在冗余机械臂的背景下，针对空间七自由度冗余机械臂的动力学建模和控制问题。空间机械臂的动力学计算通常涉及复杂的关节运动分析，特别是在冗余配置下，这种复杂性更为显著，因为它们需要处理额外的自由度和可能的“自运动”现象。 2.5.1 部分的核心内容是空间矢量的机械臂正向递推动力学，即通过将机械臂视为多个铰接体，每个铰接体的动力学参数（如角加速度）可以通过递推方式求解。这种递推过程包括两部分： 1) 运动学量向外递推：通过循环迭代，根据每个关节的速度和加速度，结合空间矢量方法，计算出末端执行器的位置、速度和加速度，表达式(2-21)展示了这一过程，其中涉及空间矢量的乘法和时间导数的计算。 2) 铰接体惯量向内递推：这部分涉及对机械臂内部结构的惯量矩阵处理，通过递归地更新各关节的惯量影响，以及外部力矩和力的作用，得出铰接体的动力学方程，公式(2-22)展示了这个递归过程，涉及到惯性项、力矩和转动惯量的计算。 冗余机械臂的研究着重于如何利用冗余度来提高系统的鲁棒性和稳定性，减少计算负担。文中提到了基于增强混合阻抗控制的空间冗余机械臂力控制，这种控制策略能够有效地平衡机械臂的灵活性和精确性，同时解决自运动问题，确保控制的稳定性和准确性。 本文通过对空间机械臂动力学的深入剖析，不仅为解决空间冗余机械臂的正向动力学问题提供了有效的方法，也为后续的控制器设计和实际应用奠定了理论基础。通过在SimMechanics这样的仿真软件中建立模型并验证算法，作者确保了所提出的动力学模型的准确性和实用性。 本研究旨在提升空间冗余机械臂的动态性能，为实现高效的控制策略提供数学支持，从而在实际工业应用中，如消防主机9000系列中，展现出强大的性能优势。