一、 项目简介

本研究针对柔性空间机械臂运行过程中产生的振动进行主动控制研究。以消除机械臂

运动过程中振动对轨迹跟踪和定位控制精度的影响，为提高机械臂运行效率提供有效的解

决方法。通过采用压电智能材料作为控制作动装置嵌入机械臂内部，结合各部件材料及力

学特性，采用符号建模方法建立空间机械臂刚体运动-弹性振动的刚柔耦合受控模型，结

合奇异摄动理论建立机械臂系统的快慢变子系统，经联合求解获得符合实际运动特征的动

力学响应。分别考虑系统在无时滞和存在系统时滞两种情况下的振动控制方案，对时滞影

响的系统进行特殊扩维处理，以得到不显含时滞的控制系统，从而获得有效的控制效果。

研制开发一套用于空间柔性结构动力学及振动抑制的演示系统。

二、 创新点

（1）研究开发内嵌式压电智能材料作为控制作动器，提出参数补偿线性化方法，将压

电材料本构关系线性化，根据一次刚柔耦合建模理论建立内嵌压电智能材料的柔性空间机

械臂动力学控制模型。

（2）研究刚柔耦合动力学模型的解耦方法，建立柔性空间机械臂弯曲和扭转振动的独

立控制机制；

（3）研究分析输入时滞对柔性空间机械臂受控模型的影响，提出一种基于刚柔耦合模

型的时滞稳定性分析方法，形成最佳时滞控制机制。

三、 主要技术指标

（1）建立一套以嵌入式压电智能材料为控制装置的柔性空间机械臂振动主动控制方

法，形成机械臂弹性弯曲和扭转振动的控制机制。

根据项目研究内容已形成有效的柔性机械臂振动控制方法，采用奇异摄动有效分离快、

慢变系统，获得可独立控制的子系统，建立了有效的柔性刚柔耦合系统振动控制方法。（2）取得柔性空间机械臂抓取操作中碰撞引起的多模态振动的信号处理和振动控制机

制。

分析研究由复杂激励引起的控制器失效问题，引入滤波方法进行信号处理，重点研究

由信号处理时滞带来的系统稳定性问题，通过采用建立时滞输入输出方程，以及采用无时

滞系统的转换方法，获得这一类时滞系统的有效振动控制方法。

（3）将柔性空间机械臂系统振动幅值消除80%以上。

研究结果表明，采用有效的控制方法能够将机械臂系统末端振动幅值衰减 90%以上，

并且在系统受外界干扰，采用滤波处理后的时滞系统控制方面，也能够达到接近 90%的衰

减效果。完全满足预期控制要求。

四、 知识产权及获奖

（1） 邵敏强，滕汉东，嵌入式柔性机械臂振动控制装置，发明专利，专利号：

***（授权）；

（2） 邵敏强，滕汉东，黄宇明，一种空间智能柔性机械臂试验装置，发明专利，专

利号：***（授权）；

（3） 邵敏强，陈卫东，滕汉东，刚度可调谐的动力吸振装置，发明专利，申请号：

***（实审）；

（4） 邵敏强，滕汉东，动力吸振器，实用新型，申请号：***

（5） 邵敏强，滕汉东，动力吸振器，实用新型，申请号：***

（6） 邵敏强，操瑞志动力吸振器，实用新型，申请号：***

（7） 邵敏强，操瑞志动力吸振器，实用新型，申请号：***

五、 应用领域及市场前景

本项目涉及的柔性机械臂振动抑制实验系统具有结构简捷，便于实现，可扩展性强等

特点，适合应用与航天结构的振动抑制地面实验验证。该实验平台能够完成部分气浮实验

平台的功能，但与气浮平台相比具有造价低，便于实现等优点，并且实验过程中不需要耗

费大量的专用气体，实验成本低。对缩短空间柔性机械结构的开发周期具有重要意义，可

在我国航天应用领域广泛推广。本项目同样涉及柔性空间结构的振动抑制和运动学控制方

面的研究，基于理论的研究成果，能够为柔性机械臂实验平台的应用提供广泛的技术支持。