基于旋量理论及距离误差的机械臂标定新方法

为提高机械臂的定位及定姿精度,必须对其进行标定.标定能否达到预期目的,主要取决于所采用的运动学模型及消除参数识别过程中外来误差的影响.分析了基于不同运动学模型时机械臂的初始位姿误差对标定结果的影响.提出了一种结合旋量理论与距离模型的标定用数学模型.该模型考虑了机械臂初始位姿误差对标定的影响,解决了用D-H参数建模存在的弊端,同时能消除因机械臂坐标系统与测量设备坐标系统之间转换所带来的误差,克服了测量技术上的困难.仿真计算验证了这种新标定数学模型的可行性.      

机械臂运动学标定技术发展概况

机械臂运动学标定对提高机械臂的绝对定位精度具有重要意义，探究高效的机械臂标定方法已成为机器人领域研究的热点。现有标定方法可分类为基于模型的参数运动学标定、自标定和无参数运动学标定三类，对基于模型的参数运动学标定，从运动学建模、末端执行器测量、参数辨识和误差补偿四个方面详细介绍了其研究现状。对各种标定方法进行了比较，并分析了其优缺点。最后对机械臂运动学标定中存在的问题进行了分析，展望了标定技术的未来发展趋势。     

空间机械臂系统总体技术指标确定方法

总体技术指标的确定是空间机械臂总体设计中的关键,基于此,文章提出了一种空间机械臂总体技术指标确定方法,并进行动力学仿真研究。首先从任务目标出发,结合总体约束条件,对空间机械臂的长度、末端位姿精度、末端最大运动速度、关节驱动力矩等技术指标进行论证;然后建立系统的多体动力学模型,对常规工况和极限工况下空间机械臂的带载操作过程进行动力学仿真,以验证所确定的总体技术指标。仿真结果表明,所提出的思路和方法对于空间机械臂的设计和研制具有一定参考作用。     

基于双层博弈的多臂在轨服务航天器路径规划

针对在轨服务多臂航天器系统高精度的位姿协同要求及其运动过程中的避障约束,提出一种基于机械臂末端（腕关节）和肘关节的双层博弈多臂路径规划方法。研究建立了多臂运动学模型,在博弈论基础上建立多臂的博弈模型;给出了双层博弈的基本算法流程及其纳什均衡解的求解策略;以动目标多臂围捕为场景进行仿真分析,验证所提出算法末端精确跟踪抓取和肘部避障能力的有效性和实用性。所得结果可为多臂在轨服务航天器的智能化路径规划与控制提供新的解决方案。      

一种柔性空间双臂机器人的协同控制和避障方法

针对柔性空间机械臂在轨服务应用需求，提出一种基于刚体运动与柔性振动相耦合的空间双臂机器人协同控制方法.首先引入空间位姿变量的概念，构造出面向协同控制目标的Jacobian矩阵，建立柔性空间机器人系统的刚柔耦合动力学模型，基于指定的最小距离得到其运动学逆解，并根据系统动量矩守恒关系及系统的Jacobian矩阵，并根据机械臂末端的运动速度,然后采用阻尼最小二乘法得出关节角度，使柔性空间机器人能够有效完成协同控制和空间避障任务，并基于RecurDyn V7R5软件环境验证算法的正确性.最后，基于SolidWorks和ADAMS虚拟样机建立柔性空间机器人系统的立体CAD模型，并结合空间在轨搬运任务进行模拟仿真，柔性空间机器人关节操作和运动轨迹的仿真结果图验证了本文算法的有效性.     

面向非合作目标抓捕的机械臂轨迹规划方法

文章针对非合作目标抓捕问题设计了基于误差反馈系数的机械臂轨迹规划算法.考虑到空间机械臂在轨服务要求,采用反作用零空间方法来规划机械臂运动轨迹以实现机械臂与航天器之间的协调运动.为避免在规划起始阶段位姿误差较大可能导致机械臂关节速度过大的问题,引入了位姿误差反馈系数.为对空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划技术进行验证,搭建了地面半物理仿真系统.试验结果表明,通过合理选择位姿误差反馈系数,设计的轨迹规划算法能够使固定基座机械臂末端执行器以较为均匀的速度逼近非合作目标,并能以较高精度实现对非合作目标的抓捕.该试验可以为空间机械臂抓捕非合作目标的轨迹规划提供参考.     

一种机器人球腕的模型优化方法

许多机器人的共同特点是在操作臂末端安装了球腕.球腕是机器人上一个重要的独立结构,它的静态误差必然影响操作臂末端执行器的位姿精度.以机器人末端的球腕作为独立的研究对象,在静态误差分析的基础上,提出了一个评价球腕精度的综合指标.根据这一指标建立优化模型,对存在静态误差的球腕模型进行优化,从而建立新的球腕运动学模型.应用新模型进行运动学及动力学解算,可以减小机器人球腕的位姿误差,特别是减小具有较大静态误差的机器人球腕的位姿误差.通过对机器人球腕进行的局部优化,整个机器人末端执行器的运动精度将在一定程度上有所提高.      

具有初始动量的空间机械臂零反作用轨迹跟踪

对具有初始动量的自由漂浮空间机械臂系统进行了研究,考虑其执行在轨任务时便已经具有的动量,根据系统的构型参数建立运动学模型,再采用拉格朗日第二类方程建立动力学模型。利用空间机械臂系统具有冗余自由度这一特性,推导运动学和动力学方程,得到了零反作用运动方程,消除了基座和机械臂之间的角速度耦合作用。末端运动轨迹用多项式插值函数来逼近,根据给定的机械臂末端初始和终止状态来规划其运动轨迹,并将机械臂末端的工作空间转换到关节空间中。根据已知的动力学模型,设计合适的比例-微分（PD）控制率。仿真结果表明,通过选择合适的增益反馈矩阵,机械臂末端能平稳地跟踪目标轨迹,同时,机械臂的运动不会对基座的姿态产生扰动,保证了基座姿态的稳定性及航天器的正常运行。     

基于阻抗控制的机械臂末端工具的柔顺控制

当空间机械臂执行任务时与环境相接触，机械臂末端工具和目标之间可能存在很大的接触力.为了将接触力限制在一定范围内，本文提出了基于位置控制内环的阻抗控制对机械臂末端精细工具进行柔顺控制的方法.该方法建立了机械臂末端工具的位姿与接触力/力矩之间的动态关系，使用关节位置/速度传感器和腕力传感器的测量来得到关节角、关节角速度和末端接触力反馈，使得机械臂末端执行器根据反馈作出相应的顺应性运动.研究将阻抗控制应用在复杂精细的末端工具上，将位置和姿态同时纳入柔顺控制器的设计中，实现了末端位置和姿态的综合控制.最后本文以螺钉拆卸为例，对提出的末端柔顺控制律进行位姿控制和接触力控制的仿真验证.仿真结果表明，本文设计的柔顺控制器可以有效控制接触力在合理范围内，并在误差很小的范围内实现位置和姿态的综合控制，对实际工程应用中，机械臂末端的精细操作具有指导意义.     

柔性空间机械臂在轨操作仿真与分析

针对挠性航天器利用柔性空间机械臂在轨操作目标进行分析.首先利用Kane方程和假设模态法对挠性航天器上安装有柔性空间机械臂的系统进行动力学建模.其次,采用修正的罗德里格斯参数描述机械臂末端相对服务航天器的姿态,利用五次多项式对机械臂末端的相对位置与姿态进行规划,并将目标航天器的相对运动进行补偿,基于雅克比矩阵的广义逆求解机械臂关节运动规律.然后,将反馈控制与扩张状态观测器结合,分别设计了航天器姿态稳定控制器和机械臂轨迹跟踪控制器.最后,对柔性空间机械臂捕获目标航天器以及安装模块的过程进行闭环数值仿真,结果表明,所设计的控制器能够使机械臂跟踪期望轨迹,同时使得航天器姿态趋于稳定,机械臂可以较高精度完成在轨操作.     

基于UDKF的非共面陀螺在轨自主标定方法

针对非正交安装陀螺组件在轨标定问题，对已飞行应用的正交安装陀螺组件在轨标定方法进行改进，提出非共面安装陀螺组件在轨自主标定方法。首先建立非共面陀螺定姿误差模型，然后设计UD分解卡尔曼滤波器，用星敏和陀螺测量在轨直接估计陀螺常值漂移，间接估计陀螺安装误差和刻度因子误差。设计滤波器时，为实现测量更新序贯处理，给出测量噪声解耦方法。滤波器确定后，利用模值条件，给出从间接估计求解安装误差和刻度因子误差的精确公式。为说明方法的通用性，通过公式推导证明原方法是本方法的特例。为指导标定姿态机动设计，基于可观性分析给出简洁的系统可观的角速度组合条件。最后,数学仿真结果表明本方法有效，陀螺安装误差标定精度优于0.01°。     

基于恒星的电离层成像仪在轨几何定标

三轴稳定的地球静止轨道卫星在轨运行期间温度会有周期性变化.其上装载的远紫外电离层成像仪与卫星之间的热应力变化造成机械传递，导致仪器指向与装星时的初始位置发生偏差.恒星在惯性坐标系中的位置保持不变，可以将其作为电离层成像仪在轨几何定标的定标源.本文建立了基于恒星的电离层成像仪在轨几何定标模型，通过拍摄所筛选恒星图像，得出仪器在轨指向相对于初始值的偏离程度，从而提高电离层成像仪的成像几何精度.通过模拟试验，验证了运用此技术进行在轨几何定标的可行性.研究结果可为电离层成像仪常态化自动在轨几何定标奠定基础.      

绳驱空间机械臂动力学建模与仿真效率分析

针对一种适用于在轨服务精细操作的绳驱空间机械臂进行讨论。建立该机械臂的动力学模型，将机械臂视为链式多刚体系统，认为绳索满足线弹性假设并忽略绳索的质量，利用空间算子代数方法推导了机械臂的动力学方程。分析动力学模型的数值仿真效率，求解出机械臂微振动的振动频率，将最高阶振动频率作为特征系数代入到微分方程数值算法的稳定区域，计算得到仿真步长的临界值；对动力学模型中的绳索模型进行改进，通过增大仿真时间步长临界值来提高动力学模型的数值仿真效率。仿真算例表明，改进后动力学模型的仿真效率最多可提高200多倍，并可以实现实时仿真。     

机器人修形磨削工具坐标系的精确标定方法

针对目前机器人修形磨削系统中接触轮姿态标定精度低影响磨削精度的问题,提出了一种实验测量的工具坐标系标定方法,姿态标定精度达0.05°.首先总结了通用静态标定法的不足之处,提出了新标定方法的构思并且理论证明了该方法的正确性.介绍了实验系统的组成,并在机器人砂带磨削系统上做了磨削实验.采集了磨削处的实验数据,分析实验数据,获得接触轮的实际偏转角,把偏转角补偿到磨削路径的工具坐标系上,最后完成了工具坐标系补偿后的重复性实验,证明了该方法的可行性和准确性.     

基于四元数表示法的机器人基坐标系标定方法

在多机器人协同、运动学参数辨识和机器人离线编程等作业任务下,需要标定出机器人基坐标系在世界坐标系中的精确位姿.提出和实施了一种利用四元数表示法进行机器人基坐标系精确标定的方法.利用指数积公式,建立机器人的运动学模型.利用外部测量设备,测量出5个不共面的工具中心点,并记录对应的机器人关节位形.以基坐标系位姿对应的旋转矩阵元素为变量,建立不相容方程组,并求出基坐标系位姿的初步齐次矩阵.由于测量误差和截断误差,初步齐次矩阵的旋转矩阵部分不能满足单位正交阵的性质.利用四元数的几何约束条件,建立罚函数形式的目标方程,将初步齐次矩阵进行正交化修正.通过一系列的实际机器人的标定试验,验证了该标定方法的正确性,并提高了机器人末端的定位精度.      

微小推力下小卫星的轨道递推与推力标定

针对采用微小推力进行轨道机动的小卫星,考虑复杂摄动力的基础设计了一种高精度轨道外推和推力在轨标定算法.首先,建立了考虑地球复杂摄动力和微小推力的小卫星轨道动力学模型;然后基于动力学模型,利用变步长龙格库塔算法,设计了对微小推力小卫星进行高精度轨道外推的方法.随后通过无迹卡尔曼滤波器(UKF),设计在轨标定算法,对存在误...     

空间双柔性机械臂刚-柔耦合建模及定标误差分析

为研究空间多自由度机械臂在作大范围运动时臂杆柔性和关节柔性对末端定标精度的影响,考虑柔性臂杆的横/侧向弯曲变形所引起轴向伸缩的二次耦合项,采用计入集中质量的转子扭簧模型描述关节的柔性效应;提出了基于臂杆柔性的D-H参数法,递推出空间机械臂的柔性机构运动方程;应用Hamilton原理建立了空间双柔机械臂的一次近似刚-柔耦合动力学方程。对空间六关节双柔机械臂末端定标误差进行仿真,结果表明：臂杆的柔性和关节的柔性在空间机械臂的大范围运动中是相互耦合的;在工程应用中,需要将抓取目标设定在机械臂定标误差较小的方向上,以提高抓捕和操作的成功性。     

顾及星像点分布的恒星相机在轨检校

由于卫星发射前后以及在轨运行过程中,环境因素的变化都可能引起恒星相机参数发生改变,从而导致星敏感器姿态测量精度下降.将多片空间后方交会方法应用于恒星相机的在轨检校.在利用该方法检校时,实验发现检校结果的精度受到参与检校的恒星影像上星像点分布的影响,由此进一步提出了凸包面积百分比准则,该方法自动选取分布较好的影像用于检校,有助于提高检校精度.实验结果证明:基于后方交会进行恒星相机在轨检校时,利用凸包法选取的影像片进行检校的精度明显优于未选片时检校的结果.      

关于角度量列为基本量的探讨CSCD

在SI国际单位制中,平面角是导出量,平面角的单位"弧度"是辅助单位。但是,平面角既不能由长度基本单位导出,又不能溯源至长度基本单位,因此不能确立导出关系。平面角应用广泛,作用重要,具有独特的性能,符合基本量的要求,因此提出:平面角,简称"角度",是基本量;平面角的单位"度、(角)分、(角)秒",是基本单位,以供探讨。