题目：空间机械臂模拟系统的设计与研究

随着科学技术的进步和航天技术的不断发展，人类对太空的探索越来越频繁，其中许多任务要在太空舱外完成。空间机械臂的出现使以前必须由宇航员完成的复杂任务变得简单，在保证宇航员安全的同时还能降低执行太空任务的成本。本研究设计了一套空间机械臂模拟系统，模拟了宇航员通过太空机械臂维修太空舱上障碍点的整个过程，能使青少年朋友们更形象地了解空间机械臂。首先，根据技术需求，按照机械臂各关节处的转动惯量最少原则，尽量紧凑地安排各种元器件的位置，设计空间机械臂的本体结构；利用CATIA软件，建立空间机械臂的三维结构实体模型，验证机械臂结构的干涉性；利用ANSYS有限元分析软件，对关键零件进行了强度分析。在此基础上，用D-H方法对机械臂系统进行了运动学分析，取得了运动学正解和反解，获得了满足要求的工作空间；按照拉格朗日方法建立了空间机械臂的动力学方程，利用ADAMS软件得到了各关节驱动力矩的变化曲线。其次，根据机械臂模拟系统所要完成的任务，构建了包括操作手柄、运动控制器、伺服电机、传感器等元器件的机械臂的硬件伺服控制系统；完成了总电源电路、电机驱动器电路等控制系统典型电路的设计，最终完成了控制系统、通信系统和传感系统的集成。最后，针对机械臂停止的时候末端存在残余振动的情况，研究了抑制残余振动的方法。首先运用PID控制理论，通过调节运动控制器的PID参数改善了机械臂末端的振动情况；然后运用状态观测器的方法，建立机械臂控制系统的控制模型，利用MATLAB的SIMULINK环境进行仿真，显示了解决机械臂末端残留振动的有效性。 本文介绍的空间机械臂的开发过程对类似的机械臂及伺服控制系统的开发有一定的指导意义，同时，关于机械臂末端残余振动的研究方法也为机械臂的振动控制问题提供了参考。