漂浮基空间机械臂非完整运动规划

摘要

漂浮基空间机械臂是空间机械臂系统的一种重要工作模式，相比于飞行基空间机械臂系统，漂浮基空间机械臂系统具有在轨寿命长，对目标飞行器干扰性小，不需附加载体姿态调整装置等优点，因此有着广泛的军事和民用应用前景。由于在漂浮基工作模式下，载体和机械臂系统之间存在非完整约束，这就导致了一系列如姿态干扰特性、运动冗余特性和奇异性路径相关特性等问题，其运动规划和控制问题变得十分困难，因此基于非完整约束的漂浮基空间机械臂运动规划研究具有重要的理论和实际意义。
　　首先，推导了漂浮基空间机械臂系统的运动学方程；给出了非完整约束存在条件下系统的工作空间；讨论了非完整性约束对系统雅可比矩阵的影响，分析了由非完整约束导致的系统雅可比矩阵动力学参数相关特性和路径相关特性，并基于雅可比矩阵求解系统的关节奇异空间和笛卡尔奇异空间；利用拉格朗日方程建立了系统的动力学模型，对系统的动力学进行了分析。
　　其次，对系统进行位置级运动规划研究，针对非完整约束对系统位置级运动规划的影响，采用了一种基于空间映射的算法，将关节空间内的耦合变量映射到新空间内的独立变量，利用优化的方法求解新坐标系下的轨迹；然后把得到的轨迹映射到实际关节空间内，解决了直接在关节空间内规划时机械臂运动与载体姿态相互影响的问题，使得在机械臂到达指定位置的同时，载体姿态也同时到达期望值，完成了对系统的位置层次的规划。
　　再次，对系统进行速度级运动规划研究，针对非完整约束导致的姿态干扰特性和系统广义雅可比矩阵动力学奇异性的问题，论文在满足非完整约束的基础上，采用一种基于运动方程分解的规划算法，解决了系统雅可比矩阵奇异性的路径相关特性问题，结合虚拟关节法，实现了速度级运动规划。
　　最后，针对论文中提出的算法进行了程序集成，并基于Matlab GUI进行了图形界面仿真研究，实现了漂浮基空间机械臂系统运动特性与运动规划仿真研究的可视化，可操作化，为后续工作的开展奠定了基础。

目录

漂浮基空间机械臂非完整运动规划

NOHOLONOMIC MOTION PLANNINGOF SPACE MANIPULATOR WITHFLOATING VEHICLE

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪论

1.1 课题背景

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 国内外研究现状及分析

1.3.1 典型空间机械臂系统

1.3.2 漂浮基空间机械臂系统建模方法

1.3.3 漂浮基空间机械臂系统运动规划

1.4 本课题来源及研究内容

第2 章 漂浮基空间机械臂非完整特性分析

2.1 引言

2.2 漂浮基空间机械臂运动学方程

2.2.1 系统模型假设及符号定义

2.2.2 系统位置级运动学分析

2.2.3 系统速度级运动学分析

2.3 非完整特性对系统的影响

2.3.1 非完整特性的物理体现

2.3.2 载体姿态干扰特性

2.3.3 动力学奇异性

2.4 漂浮基空间机械臂动力学方程

2.5 本章小结

第3 章 漂浮基空间机械臂位置级非完整运动规划

3.1 引言

3.2 系统非完整运动方程

3.3 系统位置级运动规划

3.3.1 数值积分法

3.3.2 空间映射法

3.4 仿真研究

3.5 本章小结

第4 章 漂浮基空间机械臂速度级非完整运动规划

4.1 引言

4.2 系统速度级运动方程

4.2.1 运动方程的分解

4.2.2 非完整性的证明

4.2.3 载体姿态的规划

4.3 系统速度级运动规划

4.3.1 奇异问题的转换

4.3.2 虚拟关节法

4.4 仿真研究

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢