空间冗余机械臂零反作用最优路径规划

自由漂浮空间机械臂运动通过力传递会对其载体航天器产生反作用力和力矩,从而影响基座和末端执行器的位置与方向。利用冗余机械臂的反作用零空间,求解对基座航天器姿态零干扰的机械臂运动规律的解析解。给定机械臂初始和终端状态,考虑最大关节角约束和最大关节角加速度约束,分别针对时间最优和沿整个运动路径关节加速度最小的问题,采用高斯伪谱法,在零反作用轨迹解集中寻找满足约束方程的最优解。所得最优解使得机械臂在达到期望构型的同时不影响基座姿态。将算法用于平面3自由度冗余机械臂系统中,仿真结果表明:算法在保证基座姿态稳定的同时,关节运动满足给定的约束条件,从而验证了算法的有效性。     

考虑在轨运动可靠性的空间机械臂关节力矩优化方法

提出一种考虑在轨运动可靠性的冗余度空间机械臂关节力矩优化方法。首先将机械臂操作空间中点到点的转移任务从笛卡尔空间转换至关节空间,利用七次多项式插值法对各关节变量进行参数化处理,获得粒子群算法的优化控制参数;与传统路径规划方法不同,将机械臂各关节力矩的均值和最小作为粒子群算法优化求解的目标函数;依据该目标函数以及相应优化控制参数,利用粒子群算法对空间机械臂运行轨迹进行优化求解,得到机械臂关节力矩均值和最小的运行路径。仿真实验表明,相比传统路径规划方法及以关节力矩二范数为目标函数的关节力矩优化方法,在降低冗余度空间机械臂关节力矩均值方面,文中方法分别减小了33.57%和10.47%;在降低关节力矩最大值方面,分别减小了43.25%和6.19%。     

空间机器人抓捕碰撞分析与轨迹规划镇定控制

针对空间机器人抓捕目标过程中产生的碰撞冲击问题,分析了抓捕瞬态碰撞对机器人系统产生的影响,提出了一种控制力矩能量消耗少、对卫星平台基座扰动小的镇定控制方法,实现了对抓捕目标后组合体系统的镇定控制。首先,利用Kane方法建立了抓捕后的目标-机械臂-卫星平台组合体动力学模型;其次,利用ADAMS软件分析了瞬态碰撞冲击对空间机器人系统的影响,为后续镇定控制策略的设计提供初始仿真参数;采用四次多项式实现了机械臂关节空间轨迹的参数化,设定了基于控制力矩能量与基座扰动的加权目标函数,利用差分进化算法(DE)求解得到满足控制力矩能量消耗小、平台基座扰动少的机械臂关节空间轨迹。最后,利用七自由度空间机器人的数值仿真,验证了所提出方法的有效性。     

空间机械臂非完整运动规划的遗传算法研究

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时，系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统。由于非完整约束的不可积性，非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多。现利用非完整特性研究了自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动控制问题。首先导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型，并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。在运动规划中，根据最优控制原理和优化理论，提出基于遗传算法的最优运动规划数值算法。通过数值仿真，表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的。     

一种可变形桁架逆运动学方法

针对空间站组装舱段转位过程中,以可变形桁架(VGT)作为空间操作机构的系统的逆运动学问题进行了研究。给出了一种基于等效机械臂模型和工作空间密度函数扩散过程的逆运动学方法,其基本思想是:首先计算VGT各级的等效机械臂模型,由关节运动范围得到单级机械臂的工作空间密度函数,将后一级关节点的工作空间密度函数视为之前各级的扩散过程,寻找使得末端在期望位置工作空间密度函数的值最大的一组等效机械臂模型关节变量值,计算该组等效机械臂模型对应的桁架模型可调杆长度值,即为所求逆运动学。与通过蛮力枚举求解可调杆长度的逆运动学方法相比,本文的方法能够有效提高运算效率。最后通过仿真验证了该方法的正确性和有效性。     

目标捕获后航天器组合体的角动量转移与抑振规划

针对失稳目标捕获后航天器组合体的位姿调整与稳定问题,提出一种组合体角动量转移与振动抑制复合规划方法。首先建立了同时考虑了空间机械臂、目标卫星太阳翼、服务卫星太阳翼等柔性构件的航天器组合体动力学模型。然后提出角动量转移优化方法,规划机械臂最终构型,保证组合体相对稳定后的角速度最小;基于粒子群算法设计了机械臂最优抑振轨迹规划方法,抑制角动量转移过程中的机械臂和太阳翼的柔性振动。最后通过数值仿真验证了规划方法的有效性。仿真结果表明,该方法能够有效实现组合体的角动量转移,并显著降低组合体的柔性振动,具有工程实用性。     

面向空间近距离操作的机械臂与服务卫星协同控制

针对航天器在轨服务任务中涉及的空间近距离操作需求,提出一种机械臂与服务卫星协同控制方法。首先建立了机械臂和服务卫星组合体动力学模型以及服务卫星和目标卫星相对位姿耦合动力学模型。然后采用全局终端滑模控制设计了机械臂轨迹跟踪控制方法,采用PD控制设计了服务卫星相对位姿耦合控制方法,并将机械臂反作用力和力矩作为前馈补偿叠加到服务卫星控制系统中,实现了两者的协同控制。最后通过数值仿真验证了控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法能够满足空间近距离操作任务对机械臂和服务卫星的控制精度、稳定性和误差收敛时间的要求,具有工程实用性。     

自由漂浮空间机器人最小基座反作用轨迹规划

在自由漂浮空间机器人系统中,由于机械臂与基座之间存在动力学耦合,机械臂运动会对基座产生不期望的反作用干扰,因此必须最小化基座反作用。为此,提出了一种关节空间内点对点轨迹规划的方法。首先,利用sin函数参数化关节轨迹;然后根据基座反作用和运动约束定义适应函数;最后利用混沌粒子群优化(CPSO)算法搜索空间机械臂的全局最优轨迹,使基座反作用最小。该方法考虑了机械臂的关节角、关节速度和加速度约束。给出一个仿真算例来验证该方法的有效性。规划的轨迹连续平滑,适用于多自由度空间机械臂。     

空间机械臂自适应扩展雅克比零反作用控制

针对自由漂浮空间机械臂执行在轨服务(On Orbit Servicing, OOS)时对基座姿态的扰动问题,设计了一种基于扩展雅克比矩阵的自适应零反作用运动控制器。通过巧妙利用角动量守恒定律,解决了广义雅克比矩阵的非线性参数化问题。基于此,将运动学不确定性和动力学不确定性都考虑在内,采用李雅普诺夫稳定性分析工具,得到了自适应零反作用运动控制器,可以同时实现航天器姿态调节和机械臂末端执行器对任务空间中期望轨迹的跟踪,并且不需要测量机械臂末端执行器的速度。仿真结果表明了本文所提算法的有效性。     

冗余空间机械臂试探性搜索障碍规避策略

针对冗余空间机械臂的路径规划问题,研究了在构型空间内进行试探性搜索障碍规避的规划方法.在工作空间中对凸多面体障碍物进行碰撞检测算法研究,在此基础上建立7自由度冗余机械臂无碰撞的目标构型求解策略,并提出一种无碰撞路径试探性搜索算法,设计在构型空间中的机械臂路径试探算法,可在检测到碰撞后自主调整路径.仿真结果表明:与常规构...     

基于输入整形方法的2自由度机械臂运行过程振动抑制

输入整形方法是一种根据结构振动特性对外力函数进行整形,以达到振动抑制效果的方法。本文以三连杆二关节的2自由度机械臂为例,详细推导了机械臂(逆)运动学和输入整形方法,设计了行程和输入整形函数,将整形后的动态响应与逆运动学方法的解析结果进行比较。研究结果表明:输入整形方法能有效抑制2自由度机械臂运行时的振动。该方法可以拓展到7自由度机械臂,针对柔性特征明显的空间站大型机械臂末端振动抑制也有直接参考意义,具备空间大型柔性结构基座机器人在轨精细控制的应用前景。     

空间机械臂系统轨迹规划仿真分析

在轨组装系统处于空间微重力环境下,其机械臂的动力学模型有别于地面环境下的。文章以空间三自由度机械臂为研究对象,采用适用于空间环境的拉格朗日方程,推导机械臂系统的动力学方程,仿真得到不同作用力矩下各关节的动力学响应,分析并校验动力学模型的准确性。仿真结果表明:所建动力学模型准确可靠,与实际相符,且直观表述了各个转角间因关节力矩不同所产生的相互耦合情况。文章还在常规的机械臂轨迹规划方法基础上,提出一种新的轨迹逼近策略,并对比两种不同轨迹逼近策略的优劣,证明本文方法在效率和精度上更优,且可确保按照期望的路径执行空间环境下的目标捕捉任务。     

空间冗余机械臂的路径规划算法研究

对空间机械臂的路径规划算法进行了研究。针对一种星体和冗余机械臂(7自由度)的星臂联合系统,采用星臂联合路径规划方法。建立了机械臂末端位置和姿态的运动学方程。用基于多项式的伪逆路径规划算法对路径进行规划。仿真发现用三次多项式规划算法所得系统运行平滑且稳定末端能跟踪上目标,运行初始和结束时刻角速度达到设计要求,但系统运行结束时角加速度未收敛至零,存在软冲击缺陷。增加两个角加速度约束条件,用五次多项式改进了规划算法,仿真发现该系统解决了软冲击问题,且运行更稳定。为避免伪逆算法因奇异而失效的固有问题,设计了一种基于五次多项式的伪逆路径和规避奇异路径的联合规划方法。采用倒数法规避奇异问题,当奇异出现时,采用规避奇异路径规划算法,计算阻尼最小方差广义逆矩阵;当奇异不出现时,采用基于五次多项式的路径规划算法,计算雅可比矩阵的广义逆。最后可规划出机械臂各关节的角速度。仿真表明:用该联合规划方法所得系统在保证运行的精度和稳定度的同时,可避免奇异问题,提供了系统的稳定性和安全性。研究对空间机械臂设计有一定的参考价值。     

七自由度空间机械臂避障路径规划方法

针对七自由度空间机械臂在轨捕获目标任务的需求,提出了一种避障路径规划方法。主要是根据机械臂和障碍物的几何特征,对机械臂模型和障碍模型进行简化;通过研究机械臂自身所固有的几何特性和障碍物的位姿坐标,分析机械臂各杆件与障碍物发生碰撞的条件,进而求出空间机械臂的无碰撞自由工作空间;利用优化的A＊算法,在七自由度空间机械臂的自...     

空间机器人动力学奇异回避的笛卡尔轨迹规划

针对空间机器人动力学奇异的回避问题,提出一种基于组合函数的笛卡尔轨迹规划方法。将梯形规划与正弦函数相结合,对机械臂末端的位姿进行参数化。机械臂沿着某一轨迹运动时,根据阻尼最小方差法(DLS)的特点,提出一种判断是否发生动力学奇异的方法,并据此进行轨迹规划。该方法可以保证空间机械臂运动过程中不会遇到动力学奇异。此外,将基座姿态扰动和机械臂运动时间作为目标函数的一部分,最终,轨迹规划问题转化为多目标优化问题,并利用混合整数规划的混沌粒子群优化算法(CPSO)进行求解。该优化算法能够改善标准粒子群算法(PSO)的“早熟”现象。仿真结果表明,新方法能够有效处理动力学奇异问题,减小基座姿态扰动及运动时间。     

平面型两关节空间机器人的自适应轨迹控制

基于参数线性分离方法，得到了平面型两关节空间机器人线性参数化形式的动力学模型，这种模型非常适合于采用自适应控制方法。控制策略考虑了机器人各关节之间的耦合及机械臂与基座航天器之间的耦合，对航天器姿态的控制和机械臂的控制进行综合，在满足手端跟踪期望轨迹的同时，保证航天器姿态基本不变。控制器由一个PD反馈项和一个补偿动力学不确定性的非线性自适应反馈项构成，能够保证对期望关节轨迹的全局渐进跟踪，提高了空间机器人操作的适应性和安全性。     

多目标融合的冗余空间机械臂碰前轨迹优化

面向在轨对接与装配任务,提出了多目标融合的冗余度空间机械臂碰前轨迹优化方法。通过分析任务特点,阐述了空间机械臂碰前的多重任务目标。针对由空间机械臂连续轨迹跟踪、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第一类任务,通过设置任务优先级融合多目标并采用基于主任务零空间的方法实现对碰前轨迹的优化;而对由空间机械臂点到点规划、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第二类任务,通过设置任务权重将多目标融合并采用遗传算法对碰前轨迹进行优化。以典型七自由度机械臂为例开展仿真实验,验证了提出的轨迹优化方法的有效性。     

空间机械臂辅助深层采样阻抗控制策略

针对空间机械臂辅助深层采样任务中的建模与控制问题,基于刚体李群SO(3)方法对机械臂进行建模。通过梯形规划对机械臂进行轨迹规划,采用阻抗控制方法控制机械臂运动。推导了李群SO(3)模型下机械臂关节空间与末端笛卡尔空间之间的雅可比矩阵,并且得到了两个空间的相互转换关系。采用锥互补方法计算采样机械臂与复杂接触面的碰撞力,并基于非光滑算法求解锥互补条件与系统动力学方程。通过对比位置控制与阻抗控制,证明了阻抗控制在实际应用过程中能够更加柔顺地控制机械臂与接触面进行接触。通过对控制参数进行调整,探究了不同控制参数对机械臂控制的影响,优化得到了合适的控制参数,从而能控制机械臂辅助完成深层采样的任务。     

空间机械臂动力学特性的仿真分析研究

在空间机器人系统应用于在轨服务、目标捕获的研究中,多自由度机械臂的动力学动特性分析是其主要困难。针对该问题,可运用D-H参数,构建坐标系统和矢量关系,搭建动力学数学模型,进行多刚体系统运动学和动力学建模的仿真研究分析,并运用SimMechanics做运动学等效和各关节的点到点的位姿解算,及动力学模拟,结合ADAMS做联合仿真对比分析。根据仿真结果,实时解算机械臂各关节以及末端抓捕工具的位姿,并做轨迹规划,以验证真实空间机械臂操作的仿真程度,更好地服务于半物理实验平台。     

变拓扑多臂航天器高效统一动力学建模

针对多臂航天器在轨操控过程中可能存在的多链、闭环、环链混合等多种拓扑构型及相应的动力学模型变化,提出基于空间算子代数理论(SOA)的高效统一动力学建模方法。首先,提出了描述多臂航天器部件连接关系的构型参数,并基于构型参数提出了多臂航天器拓扑构型描述矩阵的自主生成方法。其次,基于空间算子代数理论,将通路矩阵与空间转移算子相结合,提出了变拓扑多臂航天器统一动力学建模方法。最后,将数值仿真结果与多体动力学仿真软件的仿真结果进行比对,验证所提方法的有效性。仿真结果表明,对于不同的拓扑结构,所提出的O(n)阶统一动力学建模方法能准确描述变拓扑情况下的多臂航天器动力学响应。