自由漂浮基座空间机器人基座最小扰动控制与实验研究

摘要

空间机器人能够代替宇航员在复杂多变的太空环境中完成多项任务，对于空间站的建设和日常维护起到了非常重要的作用。然而，由于自由漂浮基座空间机器人运动过程中，基座位姿不受控制易产生扰动，将会影响机械臂末端的控制精度，因此对基座扰动的控制尤为重要。同时，考虑到减少机械臂任务执行时间不仅能提高机械臂在太空中的工作效率，还可以减小机械臂瞬时反作用的幅值，使运行平稳化，因此优化机械臂作业时间，提高机械臂在太空中的工作效率也具有实际意义。针对上述问题，本课题研究了自由漂浮基座机械臂的最小扰动控制策略以及轨迹运行时间的优化控制方法。本文的研究内容如下：
　　首先，将自由漂浮基座空间机械臂简化为带有漂浮基座的平面三连杆模型，并对单关节机械臂反作用影响因素进行了分析，基于牛顿-欧拉法完成了对机械臂反作用力/力矩建模，并对该模型进行控制策略研究。
　　其次，针对自由漂浮基座的机械臂，本文完成了基座扰动问题的基于局部优化的基座扰动控制和基于线性二次型最优的基座扰动最小全局优化控制。在全局最优控制中，将基座扰动力作为线性二次型优化的性能指标，实现基座扰动的优化。仿真结果表明基于线性二次型最优的基座扰动最小方法可以实现在轨迹跟踪的同时保证基座扰动小。
　　为了使机械臂能够快速反应，及时到达指定位置，降低机械臂的瞬时反作用幅值，使运行平稳，在时间优化下的基座扰动控制对控制机械臂的实时轨迹跟踪至关重要。因此本文介绍了在减少基座反作用力，防止基座因机械臂的运动产生较大扰动的基础上实现运行时间优化的控制方法。在反作用力矩的约束下，在关节空间内通过遗传算法优化了时间，在笛卡尔空间内介绍了一种几何方法实现机械臂时间最优轨迹的构造。仿真结果表明轨迹得到了优化，满足了相应的约束条件，能在减少基座扰动的同时优化运动时间。
　　最后，本文搭建了自由漂浮基座的实验平台，模拟了太空中基座的自由漂浮状态，建立了基于反作用力矩的耦合模型，分析了基座的运动，完成了所提出算法的最小扰动控制实验。通过相关实验将实验数据与仿真数据进行对比，验证了所研究的控制算法实际应用的可行性和有效性。

目录

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外相关领域研究现状分析

1.3课题来源及主要研究内容

第2章 漂浮基座冗余机械臂运动学和动力学建模

2.1引言

2.2自由漂浮空间机器人运动学和动力学建模

2.3反作用力/力矩动力学建模

2.4仿真模型建立及验证

2.5本章小结

第3章 漂浮基座冗余机械臂反作用力/力矩控制

3.1引言

3.2自由漂浮基座空间机械臂作业任务分析

3.3基于局部优化的基座扰动控制

3.4基于全局优化的最小扰动控制

3.5仿真系统建立与仿真研究

3.6本章小结

第4章 空间机器人力矩约束下的时间优化控制

4.1引言

4.2关节空间下的最优时间轨迹规划

4.3笛卡尔空间下的最优时间轨迹规划

4.4仿真实验与结果分析

4.5本章小结

第5章 漂浮基座机械臂地面实验研究

5.1引言

5.2地面实验系统介绍

5.3机械臂最小扰动地面实验研究

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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