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。
     

多个自由飞行空间机器人协调操作运动规划

本文提出了在空间微重力环境下多个自由飞行空间机器人协调操作运动规划算法，首先推导出多个自由飞行空间机器人协调操作的广义雅可比矩阵，其次给出了基于该矩阵的多个自由飞行空间机器人协调操作分解运动速度控制算法，最后用计算机仿真验证了该算法的正确性。     

基于参数辨识的冗余自由飞行空间机器人多臂协调运动规划

根据空间机器人姿态干扰特性，本文提出了利用多层间向神经网络来辨识自由飞行空间机器人本体质量的算法。其次，提出了基于姿态受限广义雅可比矩阵的多臂协调运动规划方法，较好地解决了多臂自由飞行空间机器人进行空间作业时的运动规划和姿态控制问题。     

自由飞行空间机器人捕捉运动目标的力矩控制算法及其仿真

本文研究了自由飞行空间机器人（ＦＦＳＲ）捕捉运动目标的力矩控制算法及其仿真。首先，建立了ＦＦＳＲ关节驱动力矩的求解算法；其次结合基于广义雅可比矩阵的分解运动速度控制方法提出了一种ＦＦＳＲ捕捉运动目标的力矩控制算法；最后，计算机仿真验证了本文提出算法的正确性。     

一种改进阻尼倒数的空间机器人避奇异算法

针对自由漂浮空间机器人运动规划过程中存在的动力学奇异问题,提出一种动力学奇异转化加改进阻尼倒数的奇异回避算法。首先,通过运动学分解,间接求解机器人逆运动学方程,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,以实现奇异参数的分离;然后,采用改进的高斯分布阻尼因子的阻尼倒数代替奇异参数的普通倒数,回避运动学奇异的影响。与现有阻尼倒数方法相比,提高了算法在奇异点附近的连续性,进一步减小了算法带来的跟踪误差。在PUMA类型空间机器人模型上进行仿真试验,校验算法的有效性。     

刚柔混合双臂空间机器人抓持－操作协同规划

针对狭小空间内的在轨维修操作,提出了一种基于受限空间可操作度优化的刚柔混合双臂协调轨迹规划方法。根据绳驱柔性臂的结构特性对其进行运动学等效,并完成了刚柔混合双臂等效运动学模型的建立,得到基座漂浮状态下的广义雅可比矩阵以及对应的零空间投影矩阵。以任务操作方向上的可操作度为优化指标,通过零空间投影矩阵建立优化函数方程;同时基于分解运动速度控制,通过广义雅可比矩阵实现末端速度空间到关节速度空间的映射,实现了混合双臂抓持-操作目标的同步运动控制。最后,开发了基于联合仿真软件的混合双臂联合仿真系统,仿真结果验证了上述方法的有效性。     

自由浮动空间双臂机器人的鲁棒协调控制

研究自由浮动空间双臂机器人在本体位置、姿态均不加控制时,抓取物体运动情况下的动力学协调控制。根据空间双臂机器人抓取系统的闭链约束关系,推导出广义雅可比矩阵,针对抓取系统动力学模型的不确定性,提出一种鲁棒协调控制方法,来控制被抓物体的运动,使被抓物体的运动轨迹跟踪期望的运动轨迹,并保证内力跟踪误差的有界性。通过对自由浮动空间平面双臂机器人进行鲁棒协调控制仿真实验,结果表明了该方法的有效性。     

差动驱动式移动机械手的运动规划

提出了差动驱动式移动机械手的运动规划算法。首先推导出差动驱动式移动机械手的运动学模型，其次给出了基于广义雅可比矩阵的差动驱动式移动机械手分解运动速度控制算法，最后用计算机仿真验证了该算法的正确性。     

有外力作用的多臂自由飞行空间机器人协调操作动力学特性

利用牛顿-欧拉方法分析了有外力作用时多臂自由飞行空间机器人协调操作的动力学特性。首先推导出多臂自由飞行空间机器人协调操作的机械臂关节驱动力矩和关节角速度及角加速度间的关系，其次建立了多臂自由飞行空间机器人系统的动力学方程和动力学计算模型，经仿真分析得到了在不同外力作用下多臂自由飞行空间机器人的本体的位置干扰规律，验证了有外力作用下的多臂自由飞行空间机器人的动力学特性。     

一种新型并联微动机器人运动学分析

提出了一种新型的少自由度微动并联机器人,利用螺旋理论对于微动并联机器人的自由度进行分析,得到机构正常运动时所需要的驱动个数。利用矢量方法得到微动并联机器人的运动学反解。基于雅可比矩阵的可逆性,研究了微动机器人的奇异问题,从而确定该微动并联机器人的输入和输出之间的关系。     

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.     

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〗     

空间机器人抓取未知目标的质量特性参数辨识

根据动量守恒定理,研究了单臂自由飘浮空间机器人抓取未知目标的质量特性参数辨识问题。已有文献中基于动量守恒原理进行的参数辨识只适用于系统线动量和角动量为零的情况,当两者不为零时无法得到正确的辨识结果。为解决此问题,本文首先在惯性系而非本体系下推导得到了机械臂抓取未知目标后的系统线动量和角动量,保证了其各分量的守恒特性。然后基于此特性,通过在轨测量两个时刻机器人本体的线速度、角速度以及机械臂各关节的角速度和转角信息,建立了含有未知目标质量特性参数的动量增量方程。最后根据三组测量信息,从联立的动量增量方程组中求解得到未知目标的质量特性参数。数值仿真表明,此方法在系统线动量和角动量为零和不为零两种情况下都能实现高精度的参数辨识,同时还避免了方程求解的奇异问题。     

A near-optimal control approach to 3D ball-in-socket joint space robot models with initial angular momenta

Control of space robots in the 3D space is known as one of the difficult problems in nonlinear control theory, and if there exist initial angular momenta for space robots, the control problem becomes an increasing challenge. However, it is quite important to take into account the existence of initial angular momenta from the aspect of realistic situations. This paper deals with a control problem for a 3D space robot of two rigid bodies with an initial angular momentum. First, we give a model of a space robot with an initial angular momentum, called the ball-in-socket joint model. We next propose a near-optimal control method for general nonlinear affine control systems based on the finite dimensional orthonormal basis and give some theoretical analysis for the method. Moreover, a near-optimal control algorithm is also shown. Then, we apply the near-optimal control algorithm to a 3D attitude control problem of the ball-in-socket joint model with an initial angular momentum, and illustrate numerical simulations in order to show the effectiveness of our method.     

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。     

自由浮动空间双臂机器人抓持内力的优化控制

运用非线性规划方法，提出了一种本体位置、姿态均不受控的自由浮动空间双臂机器人的内力优化与控制策略。首先根据空间双臂机器人及负载的动力学方程，建立了抓持系统合成动力学方程，进而将机器人各手臂关节广义驱动力矩的范数作为目标函数，内力作为优化变量，采用了序列一次规划法来解决空间机器人的动态内力优化计算问题，并对双臂六自由度空间机器人进行了内力优化控制仿真实验，结果表明了该方法的有效性。     

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明：设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。     

自由浮动空间机械臂的最优控制

自由浮动空间机械臂所满足的动量矩守恒方程是一个非完整约束条件。首先把铰关节角速度作为输入，建立起系统的状态方程。然后把输入表示成待定系数的Ｆｏｕｒｉｅｒ 基组合，从而将最优控制转化为对代数问题的求解。最后用非线性最小二乘法迭代求出同时使载体和铰关节达到预定位形，而且使输入能量最小的最优控制。仿真算例说明，本文的方法是有效的。