空间机器人研究进展及技术挑战

空间机器人是实现空间操控自动化和智能化的使能手段之一,在无人及载人的空间科学探索活动中至关重要。首先,回顾了国际空间站舱内外机器人、中国空间站机器人、在轨自由飞行空间机器人等几类轨道空间机器人工程应用现状,以及已成功在轨应用月面机器人和火星机器人两类星表机器人系统的应用现状。其次,针对空间机器人后续日益复杂的任务需求,探讨了空间机器人在机构构型、关节驱动、末端操作、感知认知、行走移动、动力学与控制等方面面临的技术挑战。然后,论述了空间机器人在多臂、超冗余、柔性化、可重构、仿生等新型机构构型方面的探索,介绍了空间机器人主动、被动柔顺关节方面的研究进展,论述了空间机器人末端执行器在专用化工具及通用化多指灵巧手两个方向的研究进展,总结了星表机器人在新型移动机构构型、高自主导航方面的研究进展,介绍了空间机器人在多传感器集成融合、力与触觉感知方面的研究进展,论述了空间机器人在多臂协调控制、柔顺控制、漂浮基座抓捕动力学控制等方面的研究进展。最后,展望了空间机器人在空间目标抓捕与移除、高价值飞行器在轨服务与维修、空间大型构件在轨组装及星球科学探测等方面的应用前景。     

大臂展空间机械臂运动学参数精确标定

大臂展空间机械臂,由于臂杆的几何参数误差及柔性等因素将会导致其末端定位产生很大误差,然而在某些空间作业时对机械臂末端定位精度要求较高,为了获得其准确的运动学参数,提出了一种线性标定机器人运动学参数的简便方法。以一个7自由度空间机械臂为研究对象,采用D-H建模方法建立了机器人运动学模型,基于该模型建立了机器人运动学误差模型,最后通过计算机器人末端的位姿误差,标定了该机器人的运动学参数。仿真实验表明该标定方法有较高的精度,并且该方法操作简单、便于实际应用。     

基于一类含极少运动副四支链两转一移三自由度并联机构的五轴混联机器人

首先提出了一类含较少运动副四支链两转一移三自由度（2R1T）并联机构（PMs）2RPU-UPR-RPR和2UPR-RPU-RPR，然后提出了极限约束力螺旋系的概念，分析四支链2R1T并联机构末端的极限约束力螺旋系，对所提出的四支链2R1T并联机构是否同类机构中含运动副最少进行了论证。基于提出的四支链并联机构构造了一种五自由度混联机器人机构，建立了2-RPU-UPR-RPR并联机构的位置反解模型，并将其等效成一个三自由度串联机构RPR，进而对整个混联机器人机构进行了位置正反解分析，建立得到了混联机器人机构位置反解的显式解析表达式，并用加工球面轨迹的算例对所建运动学模型的正确性进行验证。提出的五自由度混联机器人含有极少的运动副，且所有转动自由度均具有连续转轴，能够得到解析的位置模型表达式，很容易实现轨迹规划与运动控制，具有良好的应用前景。     

空间多功能在轨维护机器人系统及其末端执行器设计

空间机器人是空间在轨服务的一种重要工具。以合作目标与非合作目标的在轨维护为目的,通过对现有空间机器人研究现状的调研和分析,提出了基于末端工具可快换的多功能在轨维护机器人系统,并提出多种末端执行器设计方案。其中三指-三瓣式末端执行器作为末端工具快换装置,不仅具有机械接口捕获对接的功能,还具有电力/信号传输功能,以及机械臂动力传输功能;钢丝绳缠绕式末端执行器具有优越的容差和软捕获性能,适合用于实现对安装有捕获接口的合作目标以及非合作目标卫星发动机喷管的捕获;而欠驱动三指末端执行器具有良好的待捕获目标物体形状自适应功能以及软捕获功能,因此可用于对空间形状不规则的太空垃圾等目标进行非合作目标捕获。通过对多功能在轨维护机器人系统及其末端工具快换过程以及末端执行器对目标捕获操作的研究,所提出的基于末端工具快换的多功能在轨维护机器人系统有较好的应用前景。     

提高机器人结构刚度及关节精度的方法

传统工业机器人具有工作空间大、结构紧凑、灵活性好等优势,已由早期的物料搬运、点焊、喷涂等操作逐渐应用于制孔、铣削、磨削等高精度金属切削加工领域。然而,工业机器人相比于机床刚性较弱,金属切削过程中的切削载荷使机器人末端刀具偏离期望的加工轨迹,外部激振力极易引发机器人颤振,影响机器人加工精度;此外,关节减速器内部齿隙也会严重影响机器人精度。对采用机器人刚度优化、机器人加工误差补偿、机器人传动间隙补偿、机器人加工振动抑制等提高机器人精度方法的研究现状做了总结,提出了两种提高机器人精度的机器人结构改进设计,分别为基于双电机驱动的无间隙传动机器人结构和基于四边形机构的高刚性机械臂结构,并对新型机器人的结构特点进行了阐述。     

关节机器人制孔过程仿真系统开发

针对不同类型制孔机器人的仿真,提出了一种机器人可重配置的建模方法。该方法根据机器人的不同类型,建立虚拟的部件及运动关系树结构,对机器人的结构进行不同的配置。采用面向对象技术,在Windows操作平台上选用Visual C++6.0结合SGI公司提供的OpenGL库进行开发。针对一款携带制孔末端执行器的关节机器人,在仿真系统上进行机器人配置,结合关节机器人运动学方程及轨迹规划实现机器人模型在软件界面中的动态显示。     

基于摄影测量的移动机器人末端标定方法研究

移动式机器人原位加工与装配技术已逐步应用于大型构件制造,而机器人末端定位能力是保证其制造质量的关键。针对机器人末端定位过程存在测量范围大、视线易遮挡和动态位姿变化复杂等问题,提出了基于摄影测量的机器人末端标定方法。首先利用摄影测量离线测量加工区域内的定位点,获取全局坐标系下定位点坐标;然后基于后方交会求解相机空间位姿,并标定相机与机器人末端位置关系;最后通过机器人末端相机的在位测量获取移动机器人末端姿态参数。结果表明,在物距为1000 mm时,三维各向位置精度优于0.19 mm、姿态角精度优于0.011°,验证了所提方法的有效性。     

美国研发应用于太空环境的电子技术

2006年5月底，NASA与大学和工业界共同组成的一个团队签订了1份为期1年价值275万美元的合同，目的是进一步开发一种可靠的、具有良好成本效益的电子技术，这种技术能够帮助极端寒冷和太空辐射环境中的机器人和人类太空任务操作。     

飞机制孔爬行机器人的位姿调节研究

飞机制孔8足并联爬行机器人是由多个构件组成的一个复杂的多维运动系统,末端执行器姿态的调整不是通过设置独立的运动轴来实现,而是通过所有腿的复合运动(升/降)来实现。当进行制孔运动时,需要实时计算各腿的空间位置和调节量,实现刀具沿着加工点处法矢方向进行制孔。通过分析各构件的空间几何位置关系建立调姿计算局部坐标系,根据机器人的动作特点,建立末端执行器空间运动坐标系;利用机构在调姿过程中,各腿一直与动平台保持垂直这一特点,建立空间变换矩阵;根据测量系统给定的制孔处法矢,计算各腿的伸缩量和空间位置补偿量;把末端执行器看作一只虚拟的腿,可用同样的方法求得其X、Y、Z向的调整量。从而不需要设置独立的旋转轴就能实现机器人的位姿调节。     

一种长行程小型化对接机构设计与分析

针对故障航天器和太空垃圾的在线对接与操作问题,基于非合作目标对接技术的要求和特点,提出了一种以卫星远地点发动机喷管为对接接口的长行程小型化的对接机构方案。设计了对接机构的具体结构并建立其三维模型,并根据此模型,对对接机构的包络范围进行了求解分析;使用ADAMS软件对机构进行了动力学仿真,研究了对接过程中目标喷管的运动学特性,分析了末端机构与目标的碰撞接触情况及机械臂中各关节受力情况。计算与仿真结果表明:所提对接机构能够对目标进行有效、可靠的对接。     

基于激光跟踪仪的机器人末端负载重力辨识与在线补偿方法

为准确测量工业机器人在飞机装配中的真实装配受力,提出了一种基于激光跟踪仪的机器人末端负载重力辨识与在线补偿方法。借助激光跟踪仪等外部测量设备,建立了机器人系统的全局运动学模型,实现机器人末端位姿的精准获取。利用卡尔曼滤波处理力传感器信号,以获取更加准确平稳的外部力信息。基于最小二乘法建立了末端负载重力分量与位姿的映射关系,其中,考虑了力传感器的零点偏移与机器人安装偏差带来的影响。最后开展了机器人负载重力在线补偿试验,试验结果表明,该方法具有良好的效果。     

激光跟踪仪与机器人坐标系转换方法研究

为了快速准确求解激光跟踪仪与机器人坐标系转换参数,提出了一种基于工具标定与公共点转换相结合的坐标转换方法。首先,将靶球固定在机器人末端工具上,控制机器人示教6个不同位置,并同时用激光跟踪仪测量球心坐标;然后,采用基于距离约束的方法计算靶球在机器人基坐标系中的位置;最后,采用基于罗德里格矩阵的最小二乘迭代法进行坐标转换。试验表明:该方法操作简单,能够避免拟合误差的影响,提高坐标转换精度。     

飞机小曲率翼面部件机器人制孔系统设计

主要介绍了针对飞机小曲率型面的机器人制孔系统总体方案和主要单元设计思路。由孔的技术指标,确定制孔末端执行器设计结构;由工件的大小来确定机器人加工范围及第7轴结构设计;由末端执行器的重量来选取机器人负载;采用简洁校准测试模式,完成系统的基准建立和机器人TCP、零点、末端执行器的标定;同时对主要受力部件进行有限元分析,确定强度的薄弱环节并进行优化。     

具有冗余度的三分支空间机器人的运动学分析

基于例如空间站等恶劣的应用环境,研制了一种具有冗余度的三分支空间机器人。该机器人的一个分支的末端可以和基座固联,另外两个分支可以进行控制来完成各种作业。在宇航员不在的情况下,该机器人可以代替宇航员对科学实验载荷进行操作。利用旋量理论对机器人的逆运动学进行了分析,并建立了统一的数学模型给出了其运动学优化、动力学优化以及容错控制的理论基础。基于球腕的封闭解,提出了一个简单的逆运动学模型。最后,通过计算机结果演示验证了所提出逆运动学模型的有效性。     

基于遗传算法的机器人负载重力补偿优化算法研究

航空航天装配领域,利用安装在机器人末端的六维力传感器来感知外力是实现工业机器人柔顺装配的关键技术之一,而负载的存在会干扰对外力的感知.针对工业机器人末端负载的重力补偿,提出一种基于遗传算法的重力补偿优化算法.此方法以误差平方和最小为目标建立了最优解模型,利用遗传算法求解,最终可以在不使用测量仪器的情况下,估计力传感器安...     

基于机器人柔性毛刷的空间翻滚目标消旋

设计了一种柔性减速刷消旋机构，将其安装于七自由度机械臂的末端，通过与翻滚目标帆板之间的接触碰撞进行消旋。利用绝对节点坐标法推导了柔性减速刷的动力学模型，并对其接触碰撞进行分析。针对自由漂浮空间机器人动力学建模和基座姿态的控制进行了研究，采用基于计算力矩法的滑模控制策略，对末端参数不确定的七自由度机械臂进行控制。滑模控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏等特点，确保了系统的全局鲁棒性和稳定性。有利于节省消旋时间，提高消旋效率。通过PD控制和滑模控制消旋仿真验证，该消旋策略能够成功消除初始旋转速度，消旋程度达90%以上，具有可行性与有效性。     

一种基于光栅传感器反馈的混联机器人动态精度控制策略

为了有效抑制因减速器和丝杠–螺母副等传动误差及弹性变形等因素引起的跟随误差,提高混联机器人的末端动态精度,利用安装在摆角头减速器输出侧和并联机构从动关节上的高精度光栅传感器,研究混联机器人的动态精度控制策略。在PID+前馈体系架构下,采用Lyapunov稳定性理论,设计出基于光栅传感器和伺服电机编码器位置反馈的控制律,据此构建出混联机器人的动态精度补偿器。以天津大学自主研发的TriMule-200混联机器人为研究对象,开展了试验验证。结果表明,相比于半闭环位置控制,所设计的动态精度补偿器能够大幅提高混联机器人的末端动态精度,动态误差的最大降幅达到82.88%,由此验证了所提出基于光栅传感器反馈的动态精度控制策略的有效性。     

先进的汽车焊接装备--首钢莫托曼机器人及应用系统

首钢莫托曼机器人有限公司是国内目前主 要的机器人生产厂家 首钢莫托曼机器人有限公司是国内目前主要的机器人生产厂家,MOTOMAN—UP系列机器人作为汽车生产的优良装备已经广泛地应用于汽车生产的各种场合。它们以其可靠的品质、稳定的性能及卓越的功能受到了使用者的好评。首钢莫托曼机器人的 发展、定位工业机器人是一种典型的机电一     

面向空间站在轨服务的人机系统概念设计

针对航天员与空间机器人组成的人机系统,对航天员与机器人的定位和关系进行了分析,根据我国空间站未来舱内外平台运营维护及载荷设备照料对人机系统的任务和功能需求,提出了一种以构型及操作特点与航天员类似的四臂拟人机器人为基础的新型人机系统,并从机器人的机构构型、控制模式及人机交互手段等方面对人机系统进行了概念设计。可为我国空间站后续运营维护手段的配置提供有益参考。     

智能化喷涂机器人研究进展

机器人是一种自动化的多功能机械手的统称,这种机械手一般有多个转轴、能够借助于可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置,以执行所需要的各种任务[1]。机器人技术综合了计算机科学、控制论、机构学、仿生学、人工智能、信息和传感技术等学科而形成的高新技术,是一个国家工业自动化水平的重要标志[2]。如图1所示,机器人一般由驱动系统、传动系统、执行系统、控制系统和感知系统等组成[3]。