空间机器人动力学奇异回避的笛卡尔轨迹规划

针对空间机器人动力学奇异的回避问题，提出一种基于组合函数的笛卡尔轨迹规划方法。将梯形规划与正弦函数相结合，对机械臂末端的位姿进行参数化。机械臂沿着某一轨迹运动时，根据阻尼最小方差法(DLS)的特点，提出一种判断是否发生动力学奇异的方法，并据此进行轨迹规划。该方法可以保证空间机械臂运动过程中不会遇到动力学奇异。此外，将基座姿态扰动和机械臂运动时间作为目标函数的一部分，最终，轨迹规划问题转化为多目标优化问题，并利用混合整数规划的混沌粒子群优化算法(CPSO)进行求解。该优化算法能够改善标准粒子群算法(PSO)的“早熟”现象。仿真结果表明，新方法能够有效处理动力学奇异问题，减小基座姿态扰动及运动时间。     

空间双臂机器人运动学及动力学分析与建模研究

针对空间双臂机器人运动学和动力学建模,对失重状态下空间机器人的运动学分析与建模进行了研究。给出了双臂机器人左右臂的DH坐标及参数,建立了正运动学的计算公式,基于臂形角的方法,给出了更高效的空间机器人冗余单臂的解析形式逆解求解方法。分析了空间双臂机器人全部工作状态,引入二元判定系数归纳得到了双臂独立运动、双臂协同操作、闭链本体漂浮、开链本体漂浮4种四种机器人工作状态,并基于拉格朗日方程得到了4种不同工作状态下的动力学模型。通过对空间双臂机器人运动学及动力学进行分析与建模,为空间双臂机器人的设计与研究提供理论基础。     

空间冗余机械臂的路径规划算法研究

对空间机械臂的路径规划算法进行了研究。针对一种星体和冗余机械臂(7自由度)的星臂联合系统,采用星臂联合路径规划方法。建立了机械臂末端位置和姿态的运动学方程。用基于多项式的伪逆路径规划算法对路径进行规划。仿真发现用三次多项式规划算法所得系统运行平滑且稳定末端能跟踪上目标,运行初始和结束时刻角速度达到设计要求,但系统运行结束时角加速度未收敛至零,存在软冲击缺陷。增加两个角加速度约束条件,用五次多项式改进了规划算法,仿真发现该系统解决了软冲击问题,且运行更稳定。为避免伪逆算法因奇异而失效的固有问题,设计了一种基于五次多项式的伪逆路径和规避奇异路径的联合规划方法。采用倒数法规避奇异问题,当奇异出现时,采用规避奇异路径规划算法,计算阻尼最小方差广义逆矩阵;当奇异不出现时,采用基于五次多项式的路径规划算法,计算雅可比矩阵的广义逆。最后可规划出机械臂各关节的角速度。仿真表明:用该联合规划方法所得系统在保证运行的精度和稳定度的同时,可避免奇异问题,提供了系统的稳定性和安全性。研究对空间机械臂设计有一定的参考价值。     

空间3R机器人工作空间分析

由于存在动力学耦合,空间机器人工作空间的分析比地面机器人复杂得多,以往的研究仅针对平面运动的情况,本文探讨了三维工作空间的分析方法。首先根据基座的不同控制策略,推导了基座位姿固定、自由飞行及自由漂浮三种模式的运动学方程,然后分析相应的工作空间。基座位姿固定时,采用几何分析法;基座自由飞行时,借助虚拟机械臂分析其受限工作空间;而对于自由漂浮模式,结合角动量守恒方程,提出了计算路径相关工作空间和路径无关工作空间的数值算法。文中以3R机器人为例进行实际计算,比较了各种工作空间的特点。最后讨论了动力学奇异回避方法,并提出减小其影响的建议。     

冗余SGCMG系统非奇异逆运动学闭环求解

为进一步简化单框架控制力矩陀螺（ＳＧＣＭＧ）系统逆运动学的求解，在借鉴国内外相关研究的基础上，将冗余机械臂逆运动学闭环求解方法引入到ＳＧＣＭＧ系统中来，并在闭环求解过程中，施加非奇异条件，即得到冗余ＳＧＣＭＧ系统非奇异逆运动学闭环解。这种方法不但可以得到逆运动学的非奇异解，且可通过选择适当的增益阵，控制算法的收敛速度。而且由于此种方法不用计算Ｊａｃｏｂｉ矩阵的伪逆，而是代之以Ｊａｃｏｂｉ阵的转置，大大简化了计算量，适于实时实现。对金字塔构形的４－ＳＧＣＭＧ系统的仿真结果表明，上述算法是可行的。     

载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动学特性研究

针对载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人的运动学问题,引入具有非完整特性的载体 姿态无扰约束方程,推导了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵。采用等效 杆的概念,分析了普通状态的自由漂浮空间机器人和载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人可 达工作空间;基于载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵所得到的奇异方程, 研究了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人动力学奇异性。仿真结果验证了普通状态的自由 漂浮空间机器人与载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动学问题的差异性。研究结果为载 体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动规划及控制研究奠定了理论基础。
     

线牵连续型机械臂运动学分析

以狭小作业空间环境为应用背景,设计了一款线驱动连续型机械臂,并对此机械臂的单段关节和三段关节分别进行了正逆运动学分析。分析了驱动空间、关节空间与操作空间三者之间的关系,对这三种空间映射关系的分析即为连续型机械臂的正、逆运动学分析。分析了多关节段之间的运动学耦合关系,并在此基础上分析了多关节段的逆运动学问题,提出了求取逆运动学解的数值算法。最后在Matlab环境中分别对连续型机械臂单关节段和多关节段的正逆运动学算法进行了仿真验证,实验结果验证了所提算法的可行性和有效性。     

一种改进的SGCMGs奇异鲁棒伪逆操纵律算法

以单框架控制力矩陀螺（SGCMG）为卫星动量交换机构,基于建立的姿态控制系统与SGCMG系统的动力学模型,设计零动量卫星的PD（比例微分）解耦姿态控制律。为逃避奇异,提出了一种改进的单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）奇异鲁棒伪逆操纵律算法。某航天器姿态控制仿真结果表明：改进算法可避免奇异,算法有效性得以验证。     

基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算

工作空间是衡量机器人工作能力的一个重要运动学指标。由于存在动力学耦合,空间机器人工作空间分析比地面机器人复杂得多。文章采用数值方法,即蒙特卡洛法分析空间机器人的工作空间。首先,采用虚拟机械臂（VM）建模方法建立空间机器人位置级运动学模型,并推导出了基座位姿固定、自由飞行、自由漂浮三种模式下的位置级运动学方程;然后,提出...     

空间机器人抓捕目标后动力学参数辨识研究

针对自由漂浮空间机器人抓捕目标后的动力学参数辨识问题,提出一种参数辨识的持续激励轨迹设计方法。首先,基于动量守恒原理建立了自由漂浮空间机器人的动力学参数辨识模型;然后,采用有限傅里叶级数对空间机器人的机械臂关节运动轨迹进行参数化表示,并以参数辨识回归矩阵条件数最小化为指标,通过求解一个包含多约束的非线性优化问题得到傅里叶级数的待定系数;最后,采用基于QR分解的递推最小二乘估计方法实现对采样数据的序贯处理,并求解出待辨识参数。仿真结果表明,提出的激励轨迹设计方法可以显著提高空间机器人参数辨识的收敛速度和准确性。     

Practical approaches to handle the singularities of a wrist-partitioned space manipulator

Space robotic systems are expected to play an increasingly important role in the future. However, the control methods based on the inverse kinematics are affected by singularities. In this paper, practical approaches are proposed to solve the problems of a wrist-partitioned space manipulator. For spacecraft-referenced end-point motion control, we presented the singularity separation plus damped reciprocal (SSPDR) method, which separates the singularity parameters from the inverse of the Jacobian, and replaces their reciprocals using the damped reciprocals. For another control strategy, i.e. inertially referenced end-point motion control, including spacecraft attitude-controlled mode and free-floating mode, the linear momentum equation is used to eliminate three independent variables. With modifying some expressions, the SSPDR method is utilized to solve the singularities of spacecraft attitude-controlled space robot. When the space robot is free-floating, the singularities, i.e. the so-called dynamic singularities, cannot be predicted according to its kinematic structure. Combining with the measured angular velocity of the base, the dynamic singularity handling problem is transformed into real-time kinematic singularity avoiding problem, which can be solved by the SSPDR method. Since the SVD decomposition, the estimation of the minimum singularity value, and the calculation of the generalized Jacobian matrix are not required, the algorithm has lower computation load. Another advantage is that, only the accuracy of part velocity components is reduced by adding the damped coefficients. Simulation results verify the proposed approaches.     

自由飘浮空间机器人地面实验系统

针对空间机器人的运动的地面模拟,基于运动学等效原理提出一种用固定基座机器人模拟空间机器人运动的方法。运用该方法,在地面用两个基座固定的六自由度工业机器人组建了一套空间机器人的地面模拟系统。应用该系统成功模拟了自由飘浮空间机器人捕获自由运动目标的运动,实验结果证明了该方法的有效性。
     

任务空间内空间机器人鲁棒智能控制器设计

研究了基于神经网络的自由漂浮空间机器人在任务空间内的轨迹跟踪问题。首先利用RBF神经网络来逼近自由漂浮空间机器人高度非线性的动力学模型，然后设计了鲁棒控制器对逼近误差和外部干扰进行抑制。利用Lyapunov直接方法建立的新的神经网络参数和连接权值的在线学习算法，以及利用耗散理论设计的鲁棒控制器保证了系统的稳定性，并能够使系统L2增益小于给定的指标。利用该控制器对平面二连杆空间机器人进行了仿真研究，表明该智能控制方案是有效的。     

刚体姿态估计的类Rodrigues参数算法研究

针对Rodrigues参数描述刚体姿态运动时的缺陷,提出了一种类Rodrigues参数的姿态估计算法,从定义上避免了Rodrigues参数和修正Rodrigues参数在π-,-π,2π,-2π时的奇异。推导了类Rodrigues参数描述的姿态运动学微分方程,给出了坐标变换的类Rodrigues参数描述,讨论了类Rodr...     

基于角动量守恒的空间机器人动力学参数辩识

空间机器人由于加工、装配误差以及在轨燃料消耗等因素使其名义公称参数与实际 动力学参数相比存在一定的误差。空间机器人路径规划和地面机器人不同,其广义雅克比 矩阵包含动力学参数,使计算的轨迹偏离实际要求的路径,引起末端位姿误差。本文根 据自由飘浮空间机器人的角动量守恒方程式,对一种两自由度空间机器人的基座以及机械臂 的各个关节分别单独做三次多项式轨迹激励,利用基于偏差模型的最小二乘法和遗传算 法对动力学参数进行辨识。仿真结果表明,遗传算法的计算稳定性和对动力学参数辩识精 度优于最小二乘法。〖JP〗     

多臂空间机器人的视觉伺服与协调控制

针对多臂空间机器人自主目标抓捕任务，首先建立多臂空间机器人的运动模型和其与目标的相对运动模型，采用Kane方法建立多臂空间机器人的动力学模型；其次，研究基于视觉伺服的机械臂在线轨迹规划算法，并引入零反作用机动，消除机械臂运动对平台姿态的扰动；再次，在不使用零反作用机动功能时，分别使用基于角动量前馈补偿的协调控制算法和逆动力学方法设计了协调控制器，在机械臂运动时保持平台姿态和相对目标的位置。最后，开发了基于Matlab的仿真软件MASS（多臂空间机器人仿真），仿真结果校验了上述方法的有效性。     

一种可移动检测机器人站位规划策略

针对大型舱体舱外有效载荷支架检测过程中机器人站位难以确定的问题，提出一种规划策略。首先，结合机器人正运动学构建检测环境的数学模型，分别从舱体轴向与径向初步划分工作区域。然后，基于遗传算法(GA)优化检测视点次序并对工作区域栅格化处理，结合工作区域内对应视点位姿信息及关节转角约束，通过机器人逆运动学求得满足约束条件站位。最后，考虑不同关节转角误差对机器人末端精度和机器人运行过程安全性的影响，对检测过程各关节角度变化方差加权处理并构造优化函数。通过算例验证了所构建的模型及方法的可行性，结果表明该策略能够得到满足检测需求的优化站位。     

空间机器人的智能控制器设计

自由漂浮空间机器人动力学方程不能被参数线性化并且存在模型不确定性，使得基于数学模型的控制问题变得十分复杂。本文研究了自由漂浮空间机器人的智能控制方法，提出了一个鲁棒的模糊神经网络控制器。首先利用模糊神经网络控制器来逼近理想控制器，然后利用鲁棒控制器对逼近误差进行估计和抑制。根据Lyapunov函数建立的新的网络学习算法保证了系统的稳定性。最后利用该控制器对平面二连杆空间机器人进行了研究。仿真结果表明该智能控制方案是有效的。