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。     

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。
     

一种三自由度并联机器人运动性能分析

本文提出了一种新型具有相同分支的三自由度并联机构,每个分支包含一个4R复合铰链,利用螺旋理论计算了该并联机构的自由度,建立了运动学模型。基于动平台与固定平台之间的矢量方程关系,推导出该机器人的运动学方程,得到了机构的正反解。对于机构的工作空间进行了分析,得到了机构的各参数与工作空间的关系,为少自由度并联机器人的控制奠定了基础。     

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...     

双臂空间机器人利用内部地部运动的姿态控制

本文对双臂自由漂浮空间机器人系统的姿态控制问题进行了研究，推导出了系统的运动学模型，证明了系统具有非完整的力学结构，并且提出了一种利用内部运动的机器人本体姿态控制算法。该算法可使机器人本体的姿态在机械臂完成任务的过程中保持不变或变化最小，仿真结果验证了算法的有铲性。     

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。     

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〗     

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。     

正八面体可变形陆空两栖机器人设计与分析

设计了一种可变形的陆地两栖八面体机器人,其主要由传动模块、伸缩模块、传动机构和顶点模块构成。机器人在陆地上的运动主要是通过控制伸缩模块中的杆件伸缩量来改变机器人重心位置,实现机器人沿着指定方向进行翻转;空间运动通过调整螺旋桨的姿态来调整机器人飞行的方向及方式,从而确定机器人飞行的轨迹。给出了机器人在地面运动的重心计算公式,机器人运动学正解和反解的计算方法以及机器人在空间飞行过程中的动力学模型,并通过软件对于机器人的动力学进行了仿真,验证了前面理论分析的正确性,该分析结果对于机器人的分析以及运用都具有十分重要的作用。     

故障容错机械臂运动学可靠性设计

从机械臂运动学的角度，定义了故障容错机械臂、故障容错机械臂的阶、通用故障容错机械臂、特定任务故障容错机械臂，论证了通过运动学关节冗余也同样可以提高机械臂系统的可靠性、故障容错机械臂应该具备的自由度数、以及针对不同的任务要求来设计故障容错机械臂的方法。通过将任务空间抽象简化为一系列的特征点，建立与机械臂参数向理想值接近程度相关的罚函数，选择有效的优化算法，设计出了通用一阶故障容错平面位置机械臂、通用一阶故障容错空间位置机械臂、以及特定任务一阶故障容错平面位置机械臂。建立起完整的故障容错机械臂设计方法，对航天机器人的研究具有一定价值。     

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。     

双臂空间机器人利用内部运动的姿态控制

本文对双臂自由漂浮空间机器人系统的姿态控制问题进行了研究 ,推导出了系统的运动学模型 ,证明了系统具有非完整的力学结构 ,并且提出了一种利用内部运动的机器人本体姿态控制算法。该算法可使机器人本体的姿态在机械臂完成任务的过程中保持不变或变化最小 ,仿真结果验证了算法的有效性。     

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.     

大系统增量建模与最优控制研究

对互联大系统结合近２０个工位的自动化设备采用了离散增量建模，并应用了分离思想，使建模中参数的测定带来了极大方便，提出具限幅值二次型最优控制问题，采用配方形式的ＤＰ法递推方程获得了离散的限幅值最优反馈控制律。并对合并后的简化模型就一般参数导出了最优反馈控制律，显示了该建模方法及最优控制解法便于应用于大系统的特点。     

一种考虑追踪器速度变化的最优导引律

从考虑追踪器速度的大小和方向变化以及目标速度变化方面入手 ,以最优控制理论和飞行力学原理为基础 ,推导出一种考虑追踪器速度变化的最优导引律—变系数比例导引律 ,同时给出一种计算剩余时间的新方法—剩余时间函数法。对要求垂直入射的情况 ,设计了满足入射角度要求的导引律。仿真结果表明 ,应用本文的导引律在制导过程中能量消耗少 ,制导精度高 ,脱靶量小 ,其性能远优于常系数比例导引律     

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。
     

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。