双臂空间机器人捕获自旋目标的协调运动规划研究

摘要

随着空间技术的发展，人类空间活动日益频繁，为了提高工作效率和降低宇航员的风险，空间机器人将在未来的在轨服务中扮演越来越重要的角色，而目标捕获是在轨服务的一项关键技术。本文以国家863计划航天领域某重大项目为背景，开展自旋目标捕获的协调运动规划研究，为未来我国空间机器人在轨服务技术的实用化奠定基础。
　　实际在轨服务的对象为在轨故障卫星、空间垃圾等，可能处于自旋运动状态，这对目标捕获提出了巨大挑战。经过大量调研，总结了自旋目标的实际运动特征，并从理论上建立了其运动学模型，根据该模型采用无损卡尔曼滤波方法对其运动状态进行预测，基于此提出了单臂自主捕获及双臂协调的运动规划方法，实现对自旋目标的成功捕获。
　　由于存在动力学耦合，机械臂的运动会改变基座的姿态及质心位置，从而影响任务的执行。首先建立了“基座质心等效机械臂”的模型，基于此提出了保持基座稳定的无奇异多臂协调运动规划方法。通过求解等效机械臂的位置级逆运动学确定平衡臂的运动轨迹，不需求解微分运动学方程，可很好地回避了传统方法中存在的雅克比矩阵奇异的问题。该方法对平衡臂的运动学和动力学参数及安装位置无特殊要求，具有更好的通用性。
　　与捕获前的状态相比，目标捕获后形成的复合体系统的质量特性和动量发生了很大改变，可能失稳。针对此问题提出了两种基于角动量守恒的协调规划方法：关节阻尼和关节函数参数化。通过协调规划各关节和飞轮的速度实现对系统角动量的重分配。在此基础上，采用粒子群算法优化关节函数参数，在实现目标停靠的同时保证基座姿态的偏转最小。该方法采用实际飞轮作为动量交换装置，具有很好的工程可实现性。
　　为了对协调运动规划方法进行实验验证，基于动力学模拟与运动学等效的思想建立了一套地面实验系统。提出了两种基于6自由度工业机器人的自旋运动模拟方法：机械臂末端运动模拟法和机械臂肩部奇异运动模拟法。后者充分利用了肩部奇异构型的运动特性，考虑了实际的关节约束，具有很强的工程可实现性。该系统具备多种任务的演示能力，可充分利用成熟的工业产品，减少了开发成本和时间，利用该系统对自旋目标自主捕获规划方法进行验证和评估。
　　本文的研究面向未来高轨在轨服务中急需解决的自旋目标自主捕获问题，顺应了我国大力发展空间机器人在轨服务技术的大方向，对于未来开展空间机器人在轨维护、装配、援救等任务，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

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目录

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2研究综述

1.3本文主要研究内容及章节安排

第2章 双臂空间机器人基本方程

2.1引言

2.2基本符号定义

2.3空间机器人运动学方程

2.4空间机器人动力学方程

2.5本文的研究对象

2.6本章小结

第3章 自旋目标运动分析与地面模拟方法研究

3.1引言

3.2自旋目标运动特性分析

3.3自旋目标运动的地面模拟方法

3.4仿真研究

3.5本章小结

第4章 自旋目标自主捕获的协调运动规划

4.1引言

4.2自旋目标运动预测

4.3自旋目标自主捕获路径规划

4.4仿真研究

4.5本章小结

第5章 保持基座稳定的无奇异协调运动规划

5.1引言

5.2平衡运动分解及平衡臂设计

5.3基座质心等效机械臂

5.4平衡臂运动无奇异协调规划

5.5仿真研究

5.6本章小结

第6章 捕获后复合体系统稳定的协调规划

6.1引言

6.2问题描述

6.3复合体系统稳定的协调运动规划方法

6.4基于粒子群算法的运动规划问题求解

6.5仿真研究

6.6本章小结

第7章 自旋目标捕获地面实验系统研制

7.1引言

7.2地面实验实现原理

7.3地面实验系统建立

7.4目标捕获路径规划算法的实验研究

7.5空间机器人力柔顺控制实验

7.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所撰写的论文

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致谢

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