基于多项式插值的自由漂浮空间机器人轨迹规划粒子群优化算法

针对自由漂浮空间机器人轨迹规划问题,提出一种基于多项式插值与粒子群优化算法相结合的非完整运动规划方法。首先,通过对系统非完整约束条件进行分析,给出了以机械臂关节角耗散能为目标函数的轨迹最优控制算法;并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,将插值多项式的系数作为优化参数,结合粒子群优化算法对关节角轨迹进行优化求解。最后,对本文提出的轨迹规划算法进行数值仿真。仿真结果表明关节角轨迹平滑连续,保证了关节角速度及关节角加速度在初始和终止状态均为零,从而验证了所提方法的有效性和可行性。     

考虑在轨运动可靠性的空间机械臂关节力矩优化方法

提出一种考虑在轨运动可靠性的冗余度空间机械臂关节力矩优化方法。首先将机械臂操作空间中点到点的转移任务从笛卡尔空间转换至关节空间,利用七次多项式插值法对各关节变量进行参数化处理,获得粒子群算法的优化控制参数;与传统路径规划方法不同,将机械臂各关节力矩的均值和最小作为粒子群算法优化求解的目标函数;依据该目标函数以及相应优化控制参数,利用粒子群算法对空间机械臂运行轨迹进行优化求解,得到机械臂关节力矩均值和最小的运行路径。仿真实验表明,相比传统路径规划方法及以关节力矩二范数为目标函数的关节力矩优化方法,在降低冗余度空间机械臂关节力矩均值方面,文中方法分别减小了33.57%和10.47%;在降低关节力矩最大值方面,分别减小了43.25%和6.19%。     

冗余空间机械臂试探性搜索障碍规避策略

针对冗余空间机械臂的路径规划问题,研究了在构型空间内进行试探性搜索障碍规避的规划方法.在工作空间中对凸多面体障碍物进行碰撞检测算法研究,在此基础上建立7自由度冗余机械臂无碰撞的目标构型求解策略,并提出一种无碰撞路径试探性搜索算法,设计在构型空间中的机械臂路径试探算法,可在检测到碰撞后自主调整路径.仿真结果表明:与常规构...     

空间冗余机械臂零反作用最优路径规划

自由漂浮空间机械臂运动通过力传递会对其载体航天器产生反作用力和力矩,从而影响基座和末端执行器的位置与方向。利用冗余机械臂的反作用零空间,求解对基座航天器姿态零干扰的机械臂运动规律的解析解。给定机械臂初始和终端状态,考虑最大关节角约束和最大关节角加速度约束,分别针对时间最优和沿整个运动路径关节加速度最小的问题,采用高斯伪谱法,在零反作用轨迹解集中寻找满足约束方程的最优解。所得最优解使得机械臂在达到期望构型的同时不影响基座姿态。将算法用于平面3自由度冗余机械臂系统中,仿真结果表明:算法在保证基座姿态稳定的同时,关节运动满足给定的约束条件,从而验证了算法的有效性。     

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。     

基于遗传算法的空间自由漂浮机械臂系统运动规划

为了研究空间自由漂浮机械臂系统的运动规划问题,本文将其动力学模型转化为以关节角速度为控制输入变量的非线性控制系统状态方程,确定了以能耗最小为主要目标,同时满足一定约束条件的多种目标函数,提出了运用遗传算法求解最优控制变量的运动规划方法。同时,以机械臂从初始位形运动至指定终端位形的过程为仿真算例,对上述规划算法及其应用进行了分析和验证。仿真结果表明该算法有效可行,能够为机械臂系统的空间操作提供理论参考。     

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。     

带机械臂的月面巡视探测器的路径规划方法研究

针对巡视探测器路径规划和机械臂路径规划的不同和两者需要依次执行的连接需求,文章将月面巡视探测器的路径规划过程分为三个阶段：巡视探测器的路径规划、机械臂的路径规划、器臂动态联合的路径规划,针对不同的规划分别提出了不同的规划方法,并进行了仿真验证。研究结果表明,巡视探测器的整个路径规划是一个复杂的运算规划过程,在非结构化月面环境下,基于月面三维数字高程图采用改进的启发式搜索（A＊）算法,可以比较高效地完成巡视探测器的路径规划;在采用蒙特卡罗法建立机械臂可达工作空间的基础上,可以比较简单、准确地获取机械臂的规划路径;巡视探测器整个就位探测过程的实现需要两种规划的动态联合。     

空间6R机械臂圆弧轨迹规划及仿真

为控制6R机械臂跟踪圆弧轨迹或有效避开障碍物，基于机器人圆弧轨迹规划方法，对在笛卡尔空间的圆弧运动轨迹规划进行了研究，采用位置插补和姿态插补，使机械臂末端严格按圆弧路径行走，并对末端轨迹和各关节的轨迹进行了仿真。结果表明：机械臂末端运动轨迹平滑，各关节角度变化平缓，运动稳定。     

空间机械臂捕获失稳目标的动态轨迹规划方法

针对航天器在轨服务体系技术的发展需求,提出一种空间机械臂捕获失稳目标的动态轨迹规划方法。在系统设定和工程模化的基础上,首先推导了空间机械臂捕获目标的动力学模型和速度增益矩阵;然后重点研究了速度增益矩阵的动态调整方法,并以此为基础设计了空间机械臂捕获失稳目标的动态轨迹规划方法;最后通过工程算例在MATLAB和ADAMS联合仿真平台上验证了该方法的有效性。仿真结果表明,该方法既能有效减少捕获时间,又能防止过大的起始和残余速度,同时还能回避雅克比矩阵奇异问题,可以满足机械臂末端对失稳目标相对位姿同步跟踪的捕获任务要求,具有工程实用性。     

欠驱动余度机械臂的非完整冗余特征研究

欠驱动技术在航天领域有重要应用价值。针对空间机器人系统,研究了欠驱动冗余度机械臂的"非完整冗余"特征和无碰撞路径最优运动规划方法。这种系统对于给定的机械臂末端位姿,其冗余特征不便通过传统意义上的运动学"自运动"来刻画,但是因机构自由度数大于工作空间维数,系统的冗余特征可通过动力学水平的控制体现出来。基于李雅普诺夫方法,提出一种欠驱动冗余度机械臂的无碰撞路径最优规划方法,揭示了这种机器人系统的"非完整冗余"特征,通过平面3连杆机械臂进行了仿真。     

机械臂初始构型对航天器姿态干扰力矩的影响研究

针对机械臂在笛卡尔空间的轨迹规划,文章提出一种初始构型的最优化方法。首先,采用牛顿-欧拉法建立七自由度空间机械臂的逆动力学方程,从而得到机械臂的反作用力、力矩和机械臂的运动学参数之间的对应关系。其次,利用关节角参数法得到七自由度冗余机械臂的各种初始构型,并基于速度级逆运动学对机械臂进行不同初始构型下的轨迹规划。仿真表明:在不同的初始构型下对机械臂末端进行轨迹规划,机械臂在运动过程中对基座产生的反作用相差较大。因此,通过调整机械臂的初始构型,能大大减小其在运动过程中对航天器的干扰力矩。最后,给出算例验证了方法的有效性,按此方法可找到一种使航天器所受反作用力矩峰值最小的初始构型。     

基于Sarsa(λ)强化学习的空间机械臂路径规划研究

针对目标特性未知的在轨操作环境，研究了典型空间操作机械臂的路径规划策略。采用Sarsa(λ)强化学习方法实现目标跟踪及避障的自主路径规划与智能决策，该方法将机械臂系统的每节臂视为一个决策智能体，通过感知由目标偏差和障碍距离程度组成的二维状态，设计符合人工经验的拟合奖赏函数，进行各臂转动动作的强化训练，最终形成各智能体的状态-动作值函数表，即可作为机械臂在线路径规划的决策依据。将本方法应用于多自由度空间机械臂路径规划任务，仿真结果表明新算法能在有限训练次数内实现对移动目标的稳定跟踪与避障，同时各智能体通过学习所得的状态-动作值函数表，具备较强的后期在线自主调整能力，从而验证了算法较强的鲁棒性和智能性。     

变锥角SGCMG系统的奇异躲避路径规划策略

将锥体上五个单框架控制力矩陀螺（SGCMG）框架轴与底面的锥角视为姿态机动任务前的调整变量,建立了锥角可调的五棱锥构型SGCMG模型。通过锥角可调SGCMG系统的复杂奇异性分析,推导了陀螺奇异测度对时间的导数与陀螺框架角速度的关系,进而提出考虑奇异躲避的路径规划策略。基于Gauss伪谱法的路径规划结果表明：锥角可调的五棱锥构型SGCMG系统可有效提高特定机动方向的控制能力,显著减少空间站姿态机动所需时间;所提出的考虑奇异躲避的路径规划策略可有效避免陀螺奇异。     

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。     

目标捕获后航天器组合体的角动量转移与抑振规划

针对失稳目标捕获后航天器组合体的位姿调整与稳定问题，提出一种组合体角动量转移与振动抑制复合规划方法。首先建立了同时考虑了空间机械臂、目标卫星太阳翼、服务卫星太阳翼等柔性构件的航天器组合体动力学模型。然后提出角动量转移优化方法，规划机械臂最终构型，保证组合体相对稳定后的角速度最小；基于粒子群算法设计了机械臂最优抑振轨迹规划方法，抑制角动量转移过程中的机械臂和太阳翼的柔性振动。最后通过数值仿真验证了规划方法的有效性。仿真结果表明，该方法能够有效实现组合体的角动量转移，并显著降低组合体的柔性振动，具有工程实用性。     

基于混合规划策略的空间机械臂运动规划研究

为改善自由漂浮机械臂对载体姿态无扰的运动规划的收敛性,提出一种基于Gauss伪谱方法和直接打靶法的混合规划策略。首先建立机械臂系统运动规划的数学模型,用Gauss伪谱方法将运动规划问题转化为带约束的非线性参数优化问题,采用遗传算法初步定位全局最优解,然后将得到的解作为直接打靶法的初值,采用序列二次规划算法求出精确最优解,从而利用Gauss伪谱方法计算量小、直接打靶法精度高的特点,快速获得机械臂对载体姿态无扰的运动规律。数值仿真的结果表明该混合规划策略能够快速求解机械臂系统的无扰运动规划问题,且具有较好的收敛性与鲁棒性。     

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。     

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。     

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。