拟人机器人参数化逆运动学及在轨装配的协调规划研究

摘要

人类在进行空间资源探索和利用的同时，也产生了越来越多的空间在轨装配及维修任务。为保证航天员的生命安全，降低出舱危险，采用空间智能操控设备辅助甚至代替宇航员完成上述任务变得尤为重要。传统单个机械臂难以完成复杂多样的任务，拟人双臂机器人则因为灵活可靠得到了越来越多的关注。本文针对双臂机器人执行装配作业的需求，开展了冗余机械臂的参数化逆运动学、协调规划及阻抗控制的研究。
　　根据在轨任务的特点，设计了执行装配作业的机械臂阻抗控制算法，并用已有6DOF机械臂样机进行了实验研究。该算法将末端与环境的接触力和力矩转换为末端位置和姿态的补偿量，在不改变原有控制体系的同时，实现了末端力柔顺控制目标。进一步的实验还表明，6DOF机械臂的灵活性有限，无法进行操作性能的进一步优化。因此，在实现6DOF装配算法的基础上，开展了7DOF机械臂的逆运动学和双臂协调装配的研究。
　　针对所设计的7DOF拟人机械臂构型，提出了基于双臂型角参数化的解析逆运动学求解方法。在采用臂型角参数化冗余自运动的基础上，通过两个正交向量定义两个绝对参考面，得到满足特定关系的双臂型角，回避了算法奇异。通过分析双臂协调操作时形成的闭链特性，推导了位置级、速度级、加速度级以及内力级的约束方程，提出了不同层级的双臂协调规划方法，通过ADAMS对目标搬运过程进行仿真，验证了方法的有效性。
　　论文还分析了双臂机器人对大型柔性结构进行装配的振动特性，提出了减小振动的协调规划策略。仿真分析表明，柔性载荷的振动主要与加速度的大小有关，通过选择始末加速度为零的五次多项式插值轨迹规划方法、增加轨迹规划时间以及规划垂直于低阶振型方向的运动路径可以有效减小末端的振动情况。

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第1章 绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的目的与意义

1.3国内外研究现状

1.4人机系统组成及任务需求分析

1.5本文主要研究内容

第2章 六自由度机械臂逆运动学及阻抗控制研究

2.1引言

2.2六自由度机械臂运动学分析

2.3轨迹规划方法

2.4基于阻抗原理的柔顺控制方法

2.5可更换模块在轨装配实验验证

2.6本章小结

第3章 七自由度拟人机械臂参数化逆运动学

3.1引言

3.2 7DOF冗余机械臂运动学分析

3.3单臂型角参数化逆运动学求解

3.4无奇异的双臂型角参数化方法

3.5本章小结

第4章 面向在轨装配任务的双臂协调规划方法

4.1引言

4.2拟人双臂机器人运动学建模

4.3拟人双臂机器人的闭链约束方程

4.4双臂协调操作的规划仿真

4.5本章小结

第5章 大型柔性载荷在轨装配的振动特性研究

5.1引言

5.2拟人双臂机器人仿真系统建模

5.3柔性载荷在轨装配振动特性分析

5.4减小振动的协调规划策略

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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