空间机器人路径规划综合优化方法

执行复杂操作的空间机器人常具有冗余自由度,从而可以在执行任务过程中通过关节参数的合理规划对指定目标进行优化。振动和操作灵活性是评价空间机器人性能和任务完成质量的两项重要指标,而关节力矩的大小是影响振动的重要因素。文章提出了一种路径规划综合优化方法,在对机器人末端运动速度进行优化处理的基础上,利用其冗余自由度,对关节力矩和评价操作灵活性的条件数指标进行综合优化。以平面3自由度机器人为对象建立数学模型,并在零重力环境下对相同任务进行数学仿真。仿真结果显示,采用文章优化方法,关节力矩与操作灵活性指标均得到了有效优化,验证了所提出方法的有效性。     

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。     

冗余空间机械臂抓捕自旋卫星后的消旋控制

旨在提出一种运动学冗余空间机器人抓捕自旋卫星后的消旋策略和协调控制方法。首先，给出运动学冗余空间机器人捕获目标后的动力学模型，作为协调控制器设计基础。然后，基于四阶Bézier曲线和满足特定约束的自适应微分进化(Differential Evolution, DE)算法提出抓捕后的最优消旋与路径规划策略，最优消旋策略中同时考虑对消旋时间和控制力矩进行优化。提出一种跟踪所设计参考轨迹的协调控制方法，调整基座的姿态达到期望值。所提方法有效地衰减了自旋卫星的初始角速度，同时实现对基座姿态的控制。文末给出利用7 DOF冗余空间机械臂消除目标自旋运动的仿真结果，表明所提方法的有效性。     

空间机械臂捕捉空间目标分析

基于建立的空间机械臂系统的运动学与动力学模型,以及动量守恒关系,对空间机械臂抓取空间目标进行了分析。讨论了两关节机械臂4种碰撞力方向及其对应的机械臂系统耦合角动量、关节转角的变化,提出了直臂抓取方案。仿真结果表明：通过控制碰撞力方向可有效减少碰撞力对系统耦合角动量、关节转角的影响,进而避免混合体控制的关节与力矩限制。     

EMR系统机器人运动学分析和求解

舱外自由移动机器人是一个具有对称结构和行走能力的5自由度机器人，对于这种没有固定基座以及欠自由度的机器人，如何建立运动学关系，以便在机器人控制中简便，有效地求解关节角和关节角速度，是该系统研制中的一个关键，本文提出的方法有效地解决了这个问题，并在实际中得到了应用。     

空间机械臂动力学特性的仿真分析研究

在空间机器人系统应用于在轨服务、目标捕获的研究中,多自由度机械臂的动力学动特性分析是其主要困难。针对该问题,可运用D-H参数,构建坐标系统和矢量关系,搭建动力学数学模型,进行多刚体系统运动学和动力学建模的仿真研究分析,并运用SimMechanics做运动学等效和各关节的点到点的位姿解算,及动力学模拟,结合ADAMS做联合仿真对比分析。根据仿真结果,实时解算机械臂各关节以及末端抓捕工具的位姿,并做轨迹规划,以验证真实空间机械臂操作的仿真程度,更好地服务于半物理实验平台。     

镁合金电子舱体浇注系统设计与快速熔模铸造

为了满足航天器大型复杂薄壁镁合金构件减重与快速制造需求,以某镁合金电子舱体为例开展了熔模铸造工艺研究。通过选区激光烧结(SLS)3D打印技术制备了舱体熔模,设计了3种浇注系统,采用ProCAST软件对舱体的低压铸造过程和铸造缺陷进行了模拟。研究结果表明,3D打印的聚苯乙烯熔模在烧除过程中未导致型壳胀裂问题的出现。低压铸造结合缝隙式浇注系统可满足镁合金熔体的平稳充型和完全补缩,实现了镁合金舱体铸件的快速熔模铸造成形。     

电液伺服型并联式加注机器人运动轨迹跟踪控制

针对电液伺服型并联式加注机器人在实际任务中广泛存在的模型不确定和强外干扰问题，提出一种基于关节有限时间扰动估计(FTDO)的动力学解耦反步鲁棒控制策略。首先，将系统处理为一组受外部扰动关节子系统的集合，进而针对各关节通过设计两个有限时间扰动观测器实现了对关节中匹配与不匹配不确定性的有限时间同步精确估计和补偿。同时，基于系统的动力学解耦模型，通过设计反步鲁棒控制器保证了闭环系统的稳定性。最后，通过Lyapunov方法验证了闭环系统信号的有界性和关节跟踪误差的有限时间渐近收敛特性。试验结果表明，控制器在不同工况下均具有良好的轨迹跟踪性能和关节抗干扰能力，能够满足在实际加注任务中的应用需求 。     

基于动力学模型的月球车闭环牵引控制

以往的行星探测巡游车大多采用开环的运动学计算方式来实现巡游车的牵引驱动,但这在复杂地形下并不能满足跟踪给定速度的要求。提出采用基于动力学模型的牵引控制方法,实现月球车速度的闭环反馈控制。作为冗余自由度机器人,利用驱动力矩与速度的对偶关系完成月球车的力矩分配,实现了关节速度范数最小和动能最小的动力学优化效果。在动力学可视化仿真平台上,对基于动力学模型的闭环牵引控制方法进行了性能评价,证实其控制效果优于传统的开环运动学计算方式。
     

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。     

空间细胞机器人面向桁架在轨攀爬步态分析

面向空间在轨装配维修过程中的攀爬移动问题，基于空间细胞机器人(CSR)理念，提出连接细胞、转动细胞、末端执行细胞三种基本细胞单元。利用图论和拓扑学原理，在关联矩阵的基础上进行改进得到一种细胞迁移矩阵，直观准确地表达细胞机器人任意构型，以及不同节点之间的组织迁移过程。考虑桁架应用环境和细胞机器人自身的特点，划分出三种广义双杆攀爬工况，能够覆盖所有桁架攀爬任务需求。利用基于旋量理论的指数积公式进行不失一般性运动学分析。基于一致性、重复性以及无干涉原则，针对每种攀爬工况提出相应的攀爬步态，进行数值仿真分析，对比不同步态细胞机器人的关节力矩、能耗以及末端轨迹所占据工作空间等参数。仿真结果对空间机器人在轨攀爬路径规划以及控制方式的研究具有重要理论意义和工程价值。     

纤维铺放设备机械手臂末端运动轨迹的后置处理技术研究

在已知被铺放芯模和芯模铺放纤维轨迹的基础上,对数控铺放设备的后置处理算法 进行了研究。通过铺放设备运动过程的分析,将这种冗余度机器人的七个关节分两个部分处 理：主轴关节部分和机械手臂部分。运用机器人学相关原理建立杆件坐标系,通过机器人运 动学的正解和逆解,得到了机械手臂六关节变量的解。提出利用投影向量法判断铺放螺旋轨 迹方向。同时为了实现铺放过程的运动仿真,系统阐述了铺放轨迹的前期处理方法。分析了 铺放头角度参数和位置参数的关系及铺放头角度参数的合理范围。最后通过铺放运动过程仿 真,证明了所提出的后置处理算法和轨迹数据前期处理方法的正确性。     

Novel reaction control techniques for redundant space manipulators: Theory and simulated microgravity tests

This paper presents two novel redundancy resolution schemes aimed at locally minimizing the reaction torque transferred to the spacecraft during manipulator manoeuvres. The subject is of particular interest in space robotics because reduced reactions result in reduced energy consumption and longer operating life of the attitude control system. The first presented solution is based on a weighted Jacobian pseudoinverse and is derived by using Lagrangian multipliers. The weight matrix is defined by means of the inertia matrix which appears in the spacecraft reaction torque dynamics. The second one is based on a least squares formulation of the minimization problem. In this formulation the linearity of the forward kinematics and of the reaction torque dynamics equations with respect to the joint accelerations is used. A closed-form solution is derived for both the presented methods, and their equivalence is proven analytically. Moreover, the proposed solutions, which are suitable for real-time implementation, are extended in order to take into account the physical limits of the manipulator joints directly inside the solution algorithms. A software simulator has been developed in order to simulate the performance of the presented solutions for the selected test cases. The proposed solutions have then been experimentally tested using a 3D free-flying robot previously tested in an ESA parabolic flight campaign. In the test campaign the 3D robot has been converted in a 2D robot thanks to its modularity in order to perform planar tests, in which the microgravity environment can be simulated without time constraints. Air-bearings are used to sustain the links weight, and a dynamometer is used to measure the reaction torque. The experimental validation of the presented inverse kinematics solutions, with an insight on the effect of joint flexibility on their performance, has been carried out, and the experimental results confirmed the good performance of the proposed methods. In particular, two test cases have been analyzed in order to validate and evaluate the performance of both the unconstrained solution and the solution which takes into account the robot physical limits.     

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。
     

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。     

自由飞行空间机器人通用运动学模型及其仿真

本文了一种新的通用运动学模型。这一模型和以前方法不同，用通用方法导出能求机器人任一部分速度的通用方程式，同时这种通用模型由于运动学方程式表达式简单，所以计算速度很快，从而为空间机器人实时控制提供条件。本文首先在通用运动学模型所需的基本概念基础上推导出通用的运动学模型方程式，其次对该运动模型给以分析，最后通过仿真实验方法证明了本文提出的通用运动学模型比以往的几种运动学模型计算速度快的结论。     

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。     

自由飞行空间机器人的运动学建模研究

空间机器人将在未来的空间项目中发挥重要的作用。但在空间环境中，由于缺乏一个固定的基座，机械臂的运动会对机器人本体的位置和姿态产生扰动，其运动学将变得很复杂。为建立自由飞行空间机器人的运动学模型，通常是将系统的动量表达为某个预先选定连杆的速度的函数，进而得到具有广义雅可比矩阵形式的运动学模型。这种方法的缺点是系统的动量无法以通用表达式描述，并且对如何最优选取连杆也缺乏必要的说明和讨论。本文对此进行了研究，得到了自由飞行空间机器人系统动量的通用表达式；通过选取相应的连杆，得到了具有广义雅可比矩阵形式的运动学模型；也分析和讨论了连杆优选问题。