肘部偏置七自由度空间机械臂运动学研究

摘要

随着航天事业的发展,空间设施越来越多,空间机械臂在未来将发挥越来越重要的作用。由于冗余机械臂在障碍回避、奇异处理、关节力矩优化等方面具有较大优势,故本课题以冗余机械臂为研究对象,开展运动学相关问题的研究,并开发一体化仿真系统,进行仿真验证。研究内容主要包含以下几方面:
　　首先从在轨任务需求出发,分析了采用冗余度机械臂的必要性,然后从奇异消除、工作空间优化、运动学简化、机械制造可实现性、关节运动范围等方面进行臂型论证。最后采用在最优六自由度臂型基础上，在肩部增加一个关节,构成“3+1+3”配置的臂型方案。该机械臂的肩部和腕部三个关节轴线相交于一点,运动学方程简单,可得到解析形式的运动学逆解。
　　机械臂在执行笛卡尔空间轨迹的运动时,需要根据期望的末端位姿计算关节角,即位置级求逆问题。由于七自由度机械臂的位置逆解有无穷多组,为降低求解难度,首先锁定关节角3,求出一组参考臂型,并且引入臂型角的概念,从而求得期望位姿下的逆解。同时,为了方便操作员较为直观的选择出期望的参考臂型,分别设定了三个臂型标识用于把七自由度机械臂进行臂型分类。
　　在分解运动控制中,需要求解速度级逆运动学方程,若直接对Jacobian矩阵求逆可能存在奇异问题。当机械臂在运动过程中经过奇异点时,关节角速度会发生突变,或者会变得无穷大,为保障空间机械臂和空间设施的安全,这种运动需要避免。本文分别用倒数螺旋法和位姿分离法研究了机械臂发生奇异的条件,并且用阻尼最小方差法和阻尼倒数法实现七自由度空间机械臂的奇异回避。尽管丧失了部分运动精度,但是这两种方法都能有效避开奇异点。
　　为了能够直观的显示机械臂的运动过程,开发了一套一体化仿真系统。该套仿真系统由路径规划模块、3D模型模块、相机模块组成,可完成对规划的路径进行实时仿真验证等功能;还可以在该套仿真系统加入时延模块,通过模拟遥操作来训练操作员。
　　课题的研究顺应了我国大力发展空间机器人及其在轨服务技术的趋势,研究成果对于未来空间机器人的实际应用具有一定的理论和实际意义。

目录

肘部偏置七自由度空间机械臂运动学研究

Kinematics of a 7-DOF Space Manipulator with Elbow Offset

摘要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究的目的及意义

1.2 研究综述

1.2.1 国外空间机器人项目发展概况

1.2.2 空间机械臂运动学求逆方法概述

1.2.3 空间机械臂奇异回避研究

1.2.4 空间机械臂运动学仿真验证

1.3 本文主要研究内容

第2章 空间机械臂臂型设计

2.1 引言

2.2 冗余空间机械臂必要性分析

2.3 空间站上用的七自由度空间机械臂臂型

2.3.1 空间站遥操作机械臂SSRMS

2.3.2 专用灵巧机械臂

2.3.3 欧洲机械臂ERA

2.4 本课题空间机械臂在轨任务分析

2.5 本课题冗余机械臂的臂型设计

2.5.1 臂型设计思路

2.5.2 腕部分离六自由度机械臂最优臂型

2.5.3 肘部偏置七自由度机械臂臂型设计

2.6 本章小结

第3章 空间机械臂逆运动学解算

3.1 引言

3.2 空间机械臂运动学正解

3.3 空间机械臂运动学求逆

3.3.1 使用臂形角参数的运动学方程

3.3.2 求解初始臂型下的逆解

3.3.3 求解初始臂型下的逆解

3.3.4 逆解的正确性验证

3.4 肘部偏置式七自由度空间机械臂臂型分类

3.4.1 七自由度空间机械臂臂型分类

3.4.2 设定臂型标识

3.4.3 臂型标识的应用

3.5 本章小结

第4章 空间机械臂奇异回避方法研究

4.1 引言

4.2 倒数螺旋法奇异问题研究

4.2.1 奇异臂形确定原理

4.2.2 单自由度奇异臂型确定

4.3 位置奇异和姿态奇异分离法奇异问题研究

4.3.1 位姿奇异分离原理

4.3.2 位姿分离法奇异问题研究

4.4 奇异回避方法研究

4.4.1 奇异回避方法介绍

4.4.2 奇异回避研究

4.5 本章小结

第5章 空间机械臂一体化仿真系统研制

5.1 引言

5.2 空间机械臂一体化仿真平台

5.2.1 仿真平台组成

5.2.2 3D几何模型建模

5.2.3 空间机器人路径规划与控制

5.3 仿真研究

5.3.1 基于位置级求逆的笛卡尔空间轨迹规划仿真

5.3.2 奇异回避轨迹规划仿真验证

5.4 本章小结

结论

参考文献

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢