航空制孔机器人末端垂直度智能调节方法

针对飞机蒙皮的机器人制孔中铆接孔的垂直度问题,提出了一种曲面法线测量的新方法,然后对钻头的姿态进行调整,保证钻头沿钻孔点的法线方向钻孔.该方法首先利用3个激光测距传感器测量出钻孔点周围3个特征点的坐标,然后求出已知的钻孔点处的切向量,通过叉积原理计算出钻孔点的法向量及其与钻头中心轴线的夹角,并将它们反馈到控制系统,最后控制系统利用定角度的二元角度调节法调节钻头的角度使其与钻孔点的法线重合.在航空制孔机器人平台上的实验及结果证明了这种钻头垂直度调节的高精度和高效性.     

具有变胞功能的自主移动制孔机构

根据飞机自动化装配的应用需求,结合变胞原理提出了一种双偏心变胞源机构.在此基础上设计了一种具有变胞功能的自主移动制孔机构,能实现行走和调姿制孔两种功能阶段之间的变自由度切换.给出了调姿过程由初始状态经俯仰与侧滚后到达期望法矢位置各足驱动量的运动学反解算法,可用于实时控制.运用Matlab绘出了实际工况下反解算法中各足偏移量区域,完成了双偏心变胞源机构的尺寸设计.建立虚拟样机,联合算例进行运动学仿真,结果验证了运动学算法和双偏心变胞源机构适用于本机构.研制了实物样机,测试了系统的调姿精度,结果表明可满足飞机装配自动化制孔的要求.      

飞机侧壁部件装配调姿机构的设计与分析

分析了等曲率和变曲率2类飞机侧壁部件的几何特点以及对柔性装配调姿的功能需求,设计了一种新型的面向大型飞机侧壁部件数字化装配的柔性工装机构;该机构基于精密三坐标定位器对侧壁部件进行装配调姿,可等效为6自由度并联机构,通过4条支撑臂对侧壁部件进行夹持;定位器呈前后2排、前低后高布局,能够实现对侧壁部件空间6自由度位姿调整;对工装机构进行了位姿反解,根据侧壁部件的初始位姿和目标位姿反向求解出各支撑臂的关节变量,并利用计算机仿真模型进行了验证,证明了反解算法的正确性,为侧壁部件调姿运动的精确控制奠定了基础.      

管道喷涂机器人:结构与位姿调整

针对工业上大型管道内壁喷涂的需求,设计了用于喷涂管道的机器人,该机器人采用串并联结构形式,由支撑平台和串联机械手组成.支撑平台采用几何的方法建立数学模型,串联机械手采用D-H参数法建模;并在数学模型基础上给出了逆解方程.位姿调整时,对机器人进行初定位,利用激光跟踪仪测量出管道和机器人的位姿,求解出调整量,对机器人进行位姿调整,使喷枪旋转轴和管道轴线重合.管道喷涂机器人在工厂进行试验测试,测试结果表明该装备可以很好地实现管道的喷涂,提高喷涂质量和效率.      

面向复杂曲面的爬壁机器人机构及运动学分析

针对表面附有轨道的复杂曲面,提出了一种能够沿轨道移动的爬壁机器人机构.由于环境约束的复杂性,提出了功能分离的模块化机构设计思想,将机器人的功能划分为攀爬及姿态调整和沿轨道移动两种功能,并相应地设计了两套运动机构.四足爬行机构实现机器人的攀爬及姿态调整功能;轮轨机构完成沿轨道快速移动功能.对抓持与姿态调整运动进行了详细分析,并以球形曲面为例,得出相关关节控制变量的解析表达式.定性地分析了机构在其它曲面下,相关关节的变化形式.理论分析及设计实例表明机构对布有轨道的复杂曲面具有较好的适应性.     

机器人的空间位姿误差分析方法

采用了五参数模型作为机器人的运动学模型,根据相邻构件间的误差传递关系,应用位姿建模矩阵法建立了机器人的位姿误差模型,并编制了基于C++的位姿误差分析软件.利用所编制的误差分析软件,针对一6-DOF空间摄像机器人具体实例,计算分析了参数变化对机器人的末端位姿误差的影响规律,并绘制了该机器人的等误差曲线图.通过所建立的五参数误差模型和分析软件,可以直观地了解机器人机构的误差分布情况,便于合理地使用机器人或进行机器人机构误差的校正.研究结果为机器人的误差补偿提供了依据.     

微创外科机器人手腕灵活性的研究

为了能够按照手术最佳姿态完成机器人路径规划,从几何角度对微创外科机器人手腕灵活性进行研究.根据微创外科机器人末端工具的结构和安装特点,运用末端工具姿态球解析法分析手腕灵活性.研究工具的预置位姿对手腕灵活性的影响,证明工具轴线与末关节轴线垂直时,二自由度手腕可以获得满足微创手术要求的灵活性.研究关节轴向偏距对手腕灵活性的影响,证明当存在Z轴方向偏距的情况下,末端工具可以实现全方位的姿态.在此基础上,提出了二自由度手腕成为灵活手腕的必要条件.依据这一条件可以简化微创外科机器人手腕结构.     

翅膀对仿蝗虫机器人空中姿态影响分析

为验证蝗虫通过翅膀不对称运动进行空中姿态调整机理,设计了仿蝗虫空中姿态调整机器人系统,通过曲柄摇杆机构实现翅膀拍动。分析了机构特性,建立了翅膀拍动模型,计算了不同拍动频率、不同拍动幅值下翅膀受力及力矩情况,分析了左右翅膀同步拍动与异步拍动时对机体产生的影响。最后,搭建了实验验证平台,实验结果表明,左右翅膀的同步拍动不会引起机体姿态较大变动,而两侧翅膀拍动相位的不同将引起机体来回摆动,拍动幅值的不同将引起机体的滚转运动,且拍动频率越高,机体滚转越明显。证明了蝗虫利用翅膀不同步运动进行空中姿态调整机理的正确性,也为仿蝗虫机器人空中姿态调整设计提供了依据。      

自旋小卫星姿态动力学建模与控制研究

研究探测近地空间自旋稳定小卫星姿态动力学建模与姿态控制问题,探测任务对该卫星姿态控制有着特殊要求。建模中特别考虑了自旋小卫星双侧伸杆扰动对其姿态运动的影响。利用自旋卫星的章动特性,设计了姿态一章动联合控制器,根据星体横向角速度相位和喷气力矩在惯性空间的方位来确定喷气时刻,采取先章动粗控与进动控制,后章动精控的策略。当卫星受空间扰动力矩长期作用产生较大章动角而需调姿进行轨道机动时,可以应用本控制器方便地调整自旋轴的指向。     

对失效卫星特征点的自适应位姿跟踪控制

为满足对失效卫星上某个特征点位置悬停的同时使追踪星上敏感器指向该特征点,展开了对失效卫星特征点与追踪星间相对动力学建模与控制的研究。在追踪星本体坐标系下建立了六自由度相对位姿动力学模型,并结合失效卫星上特征点的运动规律,给出追踪星的期望跟踪位置和期望跟踪姿态。考虑到追踪星质量、转动惯量、系统所受扰动力、扰动力矩及失效卫星转动惯量的不确定性,设计了复合自适应位姿跟踪控制律,并通过Lyapunov法证明了闭环系统稳定性。对输出受限情况,采取设计控制参数调节过程及输出限幅措施。在仿真条件下,系统在自适应控制律下能够以位置误差约1cm、姿态误差约0.01°完成位姿跟踪任务;增大不确定参数偏差后,位置跟踪误差增至约7cm,姿态误差增至约0.1°;对控制参数进行调节后,可在不影响跟踪精度的条件下在指定范围内限制输出幅值,将幅值限制在指定范围内,并减小控制所需冲量的9%和冲量矩的30%。     

双臂空间机器人系统运动规划的双向逼近方法

基于双向逼近方法,讨论了载体位置与姿态均不受控制的双臂空间机器人系统的运动规划问题．该方法以系统动量和动量矩守恒关系为基础,建立了控制系统设计所需系统状态方程;并通过对系统状态方程应用双向逼近方法,获得了机械臂关节角的控制输入方程,从而达到对载体姿态及机械臂关节角的双重控制效果．该方法的优点是减少了载体姿态控制燃料的消耗,有效地延长了空间机器人系统的使用寿命．系统数值仿真证明了该方法的有效性．     

激光测距传感器光束矢向和零点位置标定方法

激光测距传感器常用于飞机壁板法向检测。为了解决激光测距传感器加工和安装误差导致的法向检测精度下降问题,提出和实施了一种利用几何数学模型和最小二乘法进行激光测距传感器光束矢向和零点位置标定的方法。首先,利用角度标定理论获取激光束与主轴进给方向的夹角。然后,借助激光跟踪仪建立坐标系,根据激光测距传感器射在与电主轴进给方向成不同夹角的平面上的测量值,利用几何数学模型计算出各激光点之间的相对坐标,运用最小二乘法拟合出激光束的空间方程,进而得到光束矢向和零点位置。最后,在航空制孔机器人平台上进行标定实验,并且根据标定结果进行了实验验证。实验结果证明:该方法能够较为准确地标定出激光测距传感器的光束矢向和零点位置,可使法向检测精度在0.18°内。      

Coordinated control of tethered space robot using mobile tether attachment point in approaching phase

Tethered space robots (TSRs) have wide applications in future on-orbit service owing to its flexibility and great workspace. However, the control problem is quite complex and difficult in the phase of approaching target, and the fuel consumption must also be taken into account. Hence, we present a novel scheme of achieving coordinated orbit and attitude control simultaneously for the TSR. Space tether, which can provide greater force compared with the thruster force, is used in the design of the orbit and attitude coordinated controller. A coordinated control mechanism is designed to provide attitude control torques of the pitch and yaw motions by adjusting the position of the mobile tether attachment point, while the roll motion is stabilized by the thruster. In order to guarantee this mechanism to work properly, constant tether tension strategies are utilized to plan an optimal approaching trajectory which is tracked by the coordinated controller of tether force and thruster force. Numerical simulation validates the feasibility of our proposed coordinated control scheme for TSR in the approaching phase. Furthermore, fuel consumption of the orbit and attitude control are both significantly reduced compared with traditional thruster control.     

基于结构光的空间大目标特征重构与位姿测量

针对因缺少空间非合作大目标的全局特征而难以实现相对位姿测量的问题,提出利用点状光源与单目光学相机组成点结构光视觉测量系统进行特征重构与位姿测量的方法。以非合作大目标上尺寸未知的局部矩形特征为测量对象,首先建立点结构光视觉测量系统相对位姿测量模型;接着利用相对约束关系给出特征重构方法并获得隐性特征点;然后利用特征点计算测量系统与非合作大目标之间的相对转移矩阵得到相对位置和姿态。通过数字仿真校验该方法的有效性并对测量误差因素进行分析,仿真结果表明该测量方法是有效的。     

Attitude stability criteria of axisymmetric solar sail

Passive attitude stability criteria of a solar sail whose membrane surface is axisymmetric are studied in this paper under a general SRP model. This paper proves that arbitrary attitude equilibrium position can be designed through adjusting the deviation between the pressure center and the mass center of the sail. The linearized method is applied to inspect analytically the stability of the equilibrium point from two different points of views. The results show that the attitude stability depends on the membrane surface shape and area. The results of simulation with full dynamic equations confirm that the two stability criteria are effective in judging the attitude stability for axisymmetric solar sail. Several possible applications of the study are also mentioned.