● 摘要
随着航天科技的进步和人类对太空探索的不断深入，需要完成的空间任务日益增多，如空间站的建设和维修、在轨大范围定点作业、在轨载荷的搬运、在轨废旧卫星的捕获等。由于太空环境具有特殊性：高真空、微重力、高温差和强辐射等，这些任务不能全靠航天员来完成。由于空间机械臂具有适应高温差、强辐射、微重力等恶劣空间环境的能力，故用其取代或协助航天员执行部分在轨操作任务，从安全性和经济性上考虑都具有重要意义。本文的研究内容来源于国家863重大课题，论文以此为依托，重点对空间柔性机械臂的控制策略和柔性体振动的抑制方法进行研究，本文的主要工作如下：
论文首先阐述了研究的背景和意义，综述了空间机械臂的研究现状，以及目前研究中存在的问题，在此基础上引出了基于Hexapod主动基座的柔性机械臂抑振策略。
其次，论文在分析几种常用控制方法的基础上，提出了一种基于输入成形和自抗扰控制的复合控制器（IS+ADRC），理论推导并阐述了复合控制器的独特优势：极大降低了输入成形器设计时对模型的敏感性，解决了柔性机械臂构型时变和干扰不确定性的控制问题。
然后，论文对提出的Hexapod主动基座策略与常规的主动关节策略进行了对比验证，表明在关节存在较大摩擦的情况下，主动基座策略控制效果明显优于主动关节策略。并针对两种典型的柔性结构—柔性梁和桁架开展了主动基座抑振实验。柔性梁抑振实验中，振动衰减速度是自由衰减的10倍。柔性桁架外扰实验中，振幅衰减达87.7%；内扰实验中振幅衰减达91.8%。实验中Hexapod平台的转角很小，表明对于低阶模态，Hexapod主动基座策略是一种优化配置。
紧接着，设计并研制刚柔双连杆机械臂样机，并与实验室已有的Hexapod样机和RTAI实时操作系统，组装形成基于Hexapod平台的机械臂振动控制实验系统；进而利用该系统开展机械臂振动控制原理性实验，从而验证本文提出的Hexapod主动基座控制策略的合理性和前文提出的复合控制方法的有效性。实验结果表明振动衰减速度比自由衰减提高90%左右。
接下来，针对空间漂浮基座柔性关节机械臂的振动抑制，对前文提出的复合控制方法IS+ADRC进一步改进，加入自适应律调整其反馈参数，形成一种适用于空间漂浮基座柔性关节机械臂的控制器IS+APADRC。利用该控制器对漂浮基座柔性关节机械臂在自由漂浮和自由飞行两种工况下进行了控制仿真研究。结果表明：采用IS+APADRC后，机械臂构型大范围内变化时，其闭环系统的特征频率几乎不变，于是输入成形不再对模型敏感；对振动的抑制具有快速性和强稳定性。
再次，对Hexapod平台用作被动控制时作动器的最优参数进行了理论推导，得出了作动器刚度系数、阻尼系数的选择与被控对象刚度系数和质量之间的关系式。被动抑振仿真结果表明，引入Hexapod平台后，振动衰减较无Hexapod平台时明显加快，而且机械臂振动向航天器本体传播时得到了大幅衰减；变刚度主动阻尼仿真结果表明，较无Hexapod平台时振动衰减提高13dB，且当主动阻尼反馈系数过大时，振动衰减反而变慢。
最后，对全文的创新性研究工作进行了总结，并提出了进一步研究的开展方向。