载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动学特性研究

针对载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人的运动学问题,引入具有非完整特性的载体 姿态无扰约束方程,推导了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵。采用等效 杆的概念,分析了普通状态的自由漂浮空间机器人和载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人可 达工作空间;基于载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人广义雅可比矩阵所得到的奇异方程, 研究了载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人动力学奇异性。仿真结果验证了普通状态的自由 漂浮空间机器人与载体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动学问题的差异性。研究结果为载 体姿态无扰的自由漂浮空间机器人运动规划及控制研究奠定了理论基础。
     

双臂空间机器人关节运动的一种增广自适应控制方法

讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,具有未知参数的自由漂浮双臂空间机器人系统的自适应控制问题.由于此类机器人系统具有结合系统动量及动量矩守恒关系得到完全能控形式的系统动力学方程,以及系统惯性参数不符合惯常的线性函数关系的特点,因而地面机器人的控制方法在此难以直接推广应用.为了克服上述难点,仅将系统动量守恒关系耦合到系统动力学方程当中,而不耦合系统动量矩守恒关系,结果得到一组欠驱动形式的系统动力学方程.该系统动力学方程的优点是关于一组组合惯性参数能保持惯常的线性函数关系.以此为基础,并借助增广变量法,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数未知的情况,设计了关节空间轨迹跟踪的自适应控制方案.该控制方案的显著优点为,不需要测量、反馈双臂空间机器人漂浮基的位置、移动速度和移动加速度.系统的数值仿真,证实了方法的有效性.      

绳驱动机器人的解耦分析和位置控制仿真

为提高机器人的负载能力,基于几何分析和螺旋理论的基本原理,对绳驱动 拟人臂机器人的构型设计、钢绳传动方式和运动学控制问题进行了深入的分析.首先针对绳 驱动走线方式的多样性选择,设计了一种具有肘、腕关节耦合和肩、肘关节耦合的绳驱动传 动机构;然后以肩、肘、腕7-DOF关节为中间媒介对机器人末端和驱动钢绳间的运动学关系 进行了分析,即先考虑机器人末端位姿和各关节角度之间的关系,再研究各关节角度和其相 应的驱动钢绳绳长之间的关系,从而得到绳驱动机器人的运动学解;最后进行了仿真研究. 仿真结果显示机器人的关节角度和绳长变化曲线十分平滑,末端的实际轨迹跟踪理想轨迹的 误差非常微小,说明建议的算法正确,绳驱动机器人运行理想,可以有效克服常规机器 人自重过大带来的负面影响.      

基于不稳定度的仿人型机器人步态规划方法

为了保证机器人能够在人类的生活环境中安全地工作,应该选择最稳定的运动轨迹.提出了一种能够评价不同的运动步态之间稳定性好坏的稳定性评价准则.将零力矩点(ZMP,Zero Moment Point)与机器人支撑区域的形心之间的距离定义为不稳定度,分析了仿人型机器人行走过程中几种典型步态的不稳定度,同时提出了基于不稳定度的仿人型机器人步态规划的方法.当采用多种运动步态都能完成同一种任务时,用所提出的不稳定度评价方法可以在不同步长的步态中选择出稳定性最好的运动步态来执行.仿真及实验结果验证了该方法的有效性.      

仿生机器鱼尾鳍拍动的控制算法

两关节尾鳍拍动控制是一个在高速、大载荷下的运动控制问题,它要求同时保证速度和位置波形失真都比较小.论证了尾鳍拍动推进方式与鱼体波动推进方式的一致性,根据尾鳍拍动的运动规律导出了用于拍动控制的数学模型.基于SPC-III机器鱼硬件平台,在主臂控制上,提出了根据摆角位置解算转速,并结合时间与摆角位置关系进行速度补偿的算法;在小臂控制上,提出了根据两关节摆角位置的关系及程序循环周期解算小臂目标位置的跟随算法.对高频拍动的实现进行了探讨.在试验中对尾鳍拍动的跟随性进行了验证.      

基于Lyapunov方法的双臂空间机器人避障碍分级非完整运动规划

以Lyapunov方法为基础,讨论了载体姿态与位置均不受控制的双臂空间机器人系统的避障碍分级非完整运动规划问题.该方法充分利用系统的非完整动力学性质,以系统动量矩守恒关系及运动Jacobi关系为基础,建立控制设计所需的系统状态方程及控制输出方程;并在Lyapunov函数的选取上采用两级采取方式,即初级Lyapunov函数确保双臂空间机器人的两个末端抓手从初始位置运动到指定的终点位置,次级Lyapunov函数则确保两个末端抓手避开工作空间中的障碍区域;两级合成则使双臂空间机器人的两个末端抓手既实现了指定的位置移动又避开了障碍区域.系统数值仿真,证明了方法的有效性.      

基于指端6维力传感器的接触点测量算法研究

在硬手指接触模型下应用6维力传感器测量值计算接触点位置时,有可能出现无解现象.针对这一问题,分析和证明了硬手指和软手指接触模型下解的存在性和相容性,指出当测量力和力矩正交时,硬手指算法有实根,且符合相容性,反之则不然.当测量力和力矩非正交时,对任意非零接触力旋量,软手指算法存在唯一实数解.因此在实际测量过程中,可通过判断测量力和力矩是否正交,作为选择使用两种算法的依据,以确保测量结果和控制系统稳定可靠.通过实验对上述方法进行了验证.      

模糊分层模型参考自适应控制方法在机器人视觉伺服中的应用

研究了基于图像的视觉伺服机器人系统的控制问题。首先建立了视觉伺服GRB-400机器人的图像雅可比矩阵,然后针对该动态LookandMove系统提出了一种带有模糊自调整能力的分层模型参考自适应控制的设计方法,其特点是设计方法简单并可以在线调节相关参数,给出了闭环系统的阶跃响应实验结果,并与原分层模型参考自适应控制闭环系统的动态性能做了比较,实验证明了改进后的闭环系统具有更好的动态性能。     

Area-oriented coordinated trajectory planning of dual-arm space robot for capturing a tumbling target

The growing amount of space debris poses a threat to operational spacecraft and the long-term sustainability of activities in outer space. According to the orbital mechanics, an uncontrolled space object will be tumbling, bringing great challenge to capture and remove it. In this paper, a dual-arm coordinated ‘‘Area-Oriented Capture"(AOC) method is proposed to capture a non-cooperative tumbling target. Firstly, the motion equation of the tumbling target is established, based on which, the dynamic properties are analyzed. Then, the ‘‘Area-Oriented Capture"concept is presented to deal with the problem of large pose(position and attitude) deviation and tumbling motion. An area rather than fixed points/devices is taken as the object to be tracked and captured. As long as the manipulators' end-effectors move to a specified range of the objective areas(not fixed points on the target, but areas), the target satellite will be hugged by the two arms.At last, the proposed method and the traditional method(i.e. fixed-point oriented capture method)are compared and analyzed through simulation. The results show that the proposed method has larger pose tolerance and takes shorter time for capturing a tumbling target.     

在轨服务中空间系绳的应用及发展

针对空间系绳在空间在轨服务中的应用与发展问题，在简述空间系绳传统应用及试验情况的基础上，综述了空间绳系机器人、空间绳网机器人两类新在轨应用方式的研究和发展，主要包括动力学建模、结构设计、相对状态测量、逼近/抓捕控制、拖曳变轨等。最后进一步讨论了空间系绳未来的研究方向。