基于构形平面的冗余机械臂轨迹规划方法

针对冗余机械臂在空间轨迹规划过程中构形多样但不唯一的问题,提出了一种快速求解冗余机械臂在空间轨迹规划过程中的最优构形的方法。受机械臂关节约束和空间障碍的限制,冗余机械臂的轨迹规划是一个复杂的过程。而为了保证机械臂运动的平稳性,冗余机械臂工作构形由多个机械臂关节轴线依次连接形成的构形平面组成。从构形平面入手,利用空间几何的方法,对冗余机器人进行空间轨迹规划,通过空间矢量引导、避障路径的比较,快速找到空间优化的路径,实现多目标轨迹规划方法。该方法用于一个7自由度冗余机械臂,结果表明该技术能够快速直观解决路径规划问题,不依赖具体的机械臂工作构形,适用于更多自由度的冗余机械臂。      

串并混联空间机械臂全自由度轨迹规划算法

目前,国内外对串并混联空间机械臂的研究较少;而且大多在舍弃冗余自由度的情况下进行轨迹规划.针对7自由度串并混联空间机械臂,提出了一种基于解析解、并且充分放开全部7个自由度的机械臂轨迹规划算法.该规划算法既扩大了串并混联空间机械臂的规划可达空间,又保证了规划的实时性,同时还保留了结构承载能力强的优点,可以充分发挥其作为空间抓捕用臂的优势.通过仿真和地面空间操作抓捕试验,验证了算法的有效性.     

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.     

一种基座姿态可控空间机器人的通用避奇异算法

针对基座姿态可控空间机器人笛卡儿路径规划中的奇异问题，提出了一种通用的运动学奇异回避算法。通过虚拟机械臂的方法建立空间机械臂的雅可比矩阵，实时判断雅可比矩阵行列式的值与角速度的关系确定奇异区，采用Newton-Raphson迭代法进行逆运动学求解，并设计了一种“微分项提取+二次拟合”的分段路径规划算法应用于奇异回避，直至关节角脱离奇异区。仿真结果表明:所提算法能够有效回避奇异，适应各种自由度与构型机械臂，调节计算时间与跟踪精度之间的关系，具备较好的通用性。      

无反作用力矩空间机器人轨迹跟踪控制

针对目前关节驱动方式的不足,提出一种采用无反作用力矩驱动方式的空间机器人设计概念。系统平台与各节机械臂上均安装一组金字塔构型的控制力矩陀螺（CMGs）作为力矩执行机构,各臂间由自由球铰连接。采用Rodriguez参数描述平台姿态和机械臂角位移,利用Kane方程建立系统动力学模型。在此基础上,设计了渐近稳定的轨迹跟踪控制律,使得平台姿态和机械臂角位移跟踪期望运动轨迹;并设计了CMGs操纵律,使之准确输出期望控制力矩。此外,研究了机械臂工作空间到关节空间的轨迹规划算法,使得所设计的控制律也可应用于工作空间的轨迹跟踪控制。由三关节系统的仿真结果,验证了无反作用力矩设计概念的可行性和轨迹规划算法的有效性。     

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.     

柔性基座冗余机械臂的最优反作用控制

针对柔性基座冗余机械臂的末端轨迹跟踪问题，提出一种反作用最优控制方法，该算法将轨迹跟踪视为高优先级任务，而反作用优化控制在高优先级任务零空间内进行。由于冗余机械臂的自运动能在不影响末端运动的前提下改变关节运动，利用冗余机械臂的自运动消除振动系统中的低阶模态力，使机械臂在完成轨迹跟踪的同时激起的弹性振动大幅减小，从而提高了系统的稳定性。以平面3自由度柔性基座机械臂和空间7自由度柔性基座机械臂为例进行数值仿真，证实了方法的有效性。     

基于SA*的CE-3巡视器机械臂就位探测任务规划

针对机械臂规划方法无法满足CE-3巡视器成像及探测光照约束、避碰及机械臂位形切换次数等约束的不足,提出一种基于SA^*的月面巡视器机械臂就位探测任务规划算法。该算法在机械臂的工作空间进行搜索,根据星历计算太阳光照以解决光照约束,通过层次包围盒高效准确地进行机械臂碰撞检测以满足机械臂与环境不存在干涉的约束条件,通过相邻运动行为的代价削减保证规划后机械臂位形切换次数最少。最终通过月面巡视器在轨任务结果验证该算法的可行性。     

控制力矩陀螺驱动空间机器人的角动量平衡控制

针对V构型控制力矩陀螺(CMGs)驱动的冗余空间机器人的CMGs角动量饱和问题,提出一种角动量平衡控制方法。该方法从平衡使用机械臂各臂杆CMGs角动量的思想出发,定义了角动量平衡指标,并使用加速度分解技术和逆动力学方法设计了角动量平衡控制器。该控制器可在保证机械臂跟踪工作空间轨迹的同时,利用机械臂的空转运动使得角动量平衡指标尽量减小,即各臂CMGs的角动量使用趋于平均,从而降低某些臂杆的CMGs先行饱和的可能性,充分利用CMGs的控制能力。基于平面三自由度冗余机械臂的数值仿真结果验证了所设计的控制器的有效性。     

车辆定位与导航系统中的快速路径规划算法

针对车辆定位与导航系统中的最优路径规划问题,研究了最短路径搜索算法的快速实现技术,并提出了一种启发式快速最优路径规划算法.在分析经典迪杰斯特拉最短路径搜索算法的最优实现的基础上,引入基数堆结构缩减了算法的时间复杂度,再利用启发式搜索和地图分级搜索技术减小搜索空间,从而获得最短路径规划算法的高效率实现.仿真试验的结果证明了该算法的优异性能.     

基于Frenet和改进人工势场的在轨规避路径自主规划

在轨道间机动的航天器规避空间目标，需兼顾沿转移轨道飞行的绝对运动和规避空间目标的相对运动，路径自主规划难度较大且目前国内外公开研究成果较少。针对上述问题，提出了一种将Frenet坐标系与改进人工势场相结合的在轨规避路径自主规划方法。首先，构建Frenet坐标系表述空间规避运动，解决了路径规划中航天器与既定转移轨道相对位置不易表述的难题，实现了空间规避运动的简便表示；其次，改进人工势场函数、调整势场作用区域，避免了传统人工势场法存在过早轨迹偏离以及局部震荡现象，实现了对空间目标的自主规避；最后，考虑规避安全、轨道保持、制动时效以及燃料消耗因素构建全局优化函数，能够满足不同任务的需求与偏好，实现了沿转移轨道飞行的最小偏移与快速恢复。算法比对与算例求解表明:所提方法应用优势明显，路径平滑、偏移量小，满足航天器规避空间目标的路径规划需求。      

多种群合作学习的多模态多目标路径规划算法

为同时规划出满足多种目标需求的多条可行路径,提高规划路径的鲁棒性与实用性,提出一种基于多种群合作学习的路径规划算法。基于粒子群算法的基本思想,先针对单一种群在多维目标空间内搜索时容易陷入局优的问题,提出基于多目标分解的子种群划分策略,平衡算法在目标空间内各个维度上的搜索能力。再依据地图中栅格点的出入度信息提取关键路径点。在编码阶段,根据关键路径点提供的维度信息,利用实数编码的方式初始化种群,降低解空间大小;在解码阶段,提出利用精英解的解码经验指导可行解的快速搜索,使解码经验能够被有效传递,降低解码的不确定性,提高了算法的寻优能力。最后,将多个种群的搜索结果进行非支配排序,得到满足优化目标的所有路径。实验结果表明:与标准粒子群算法相比,基于解码经验表指导的多种群合作学习算法具有更强的搜索能力和寻优能力,能够解决多模态多目标路径规划问题。      

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。     

双冗余度机器人的避碰运动规划方法研究

对双冗余度机器人的避碰运动规划进行了研究分析,发展和改进了一种基于距离函数的冗余度机器人避碰方法,提高了该方法的通用性和可靠性.      

Optimal trajectory planning of free-floating space manipulator using differential evolution algorithm

The existence of the path dependent dynamic singularities limits the volume of available workspace of free-floating space robot and induces enormous joint velocities when such singularities are met. In order to overcome this demerit, this paper presents an optimal joint trajectory planning method using forward kinematics equations of free-floating space robot, while joint motion laws are delineated with application of the concept of reaction null-space. Bézier curve, in conjunction with the null-space column vectors, are applied to describe the joint trajectories. Considering the forward kinematics equations of the free-floating space robot, the trajectory planning issue is consequently transferred to an optimization issue while the control points to construct the Bézier curve are the design variables. A constrained differential evolution (DE) scheme with premature handling strategy is implemented to find the optimal solution of the design variables while specific objectives and imposed constraints are satisfied. Differ from traditional methods, we synthesize null-space and specialized curve to provide a novel viewpoint for trajectory planning of free-floating space robot. Simulation results are presented for trajectory planning of 7 degree-of-freedom (DOF) kinematically redundant manipulator mounted on a free-floating spacecraft and demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed method.     

动力学奇点在漂浮基双臂空间机器人姿态无扰运动规划中的应用

讨论了载体位置、姿态均不受控制的双臂自由浮动空间机器人的无扰运动规划问题．结合系统的动量及动量矩守恒关系，证明了动力学奇点的存在，并导出了动力学奇点的数学解析求解公式．在此基础上，利用动力学奇点给出了双臂自由浮动空间机器人载体姿态无扰运动路径的规划设计方法．该方法有助于空间环境下遥控机械手辅助航天器对接等任务操作的运动规划。     

BUAA-RR七自由度机器人机械结构设计

就BUAA-RR七自由度机器人的操作机机构选型、关节结构、零部件设计等提出了一整套设计原则和方法.研制成的BUAA-RR七自由度机器人,结构紧凑、合理,运动灵活、可靠,达到了避障和避奇异位形等预定目标.