变刚度连续型机械臂设计与控制

针对空间机械臂碰撞过程中产生的冲击和破坏问题,提出一种能被动适应碰撞且能保证操作精度的可变刚度丝驱动连续型机械臂。在以超弹镍钛合金丝为支撑脊椎和驱动部件的基础结构上,设计了一种利用温控记忆合金改变关节内摩擦力的变刚度方法。通过运动学分析得到机械臂驱动空间、构型空间和工作空间之间的坐标映射及速度雅克比矩阵,并结合末端位置反馈设计了一个稳定的闭环运动控制器。在检测丝驱动力的基础上提出了一种碰撞识别方法和相应的变刚度控制策略。运动控制和变刚度控制的实验结果表明该连续型机械臂具有良好的运动控制精度和刚度调节能力。     

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。     

嫦娥三号月面巡视器机械臂就位探测规划

提出了一种基于SA *算法的嫦娥三号月面巡视器机械臂就位探测规划方法。建立了机械臂的正逆运动学模型,满足机械臂与环境不存在干涉的约束条件,并通过碰撞检测避免机械臂与环境和巡视器本体发生干涉;利用SA *算法在机械臂的工作空间进行搜索,在机械臂位形切换次数最少的优化条件下,实现了月面巡视器机械臂就位探测规划;通过月面巡视器在轨任务执行数据验证了基于SA *算法的月面巡视器机械臂就位探测任务的可行性。     

非合作目标卫星三臂型对接机构及其力学分析

针对非合作目标卫星对接机构的特点及设计要求,选择发动机喷管作为对接接口,设计了一种三臂型非合作目标卫星对接机构,进行了相关运动学和动力学分析。用D-H矩阵法分析了对接机构的正运动学和逆运动学,建立了末端执行器的位姿与关节变量的关系。用拉格朗日方程分析了机械臂关节所受力矩,推导出了关节力矩与运动学参数间的关系,验证了对接机构的捕获能力,用ADAMS进行了对接仿真。理论分析和仿真结果验证了设计机构的正确性,为非合作目标卫星对接机构的后续设计提供了依据。     

机械臂初始构型对航天器姿态干扰力矩的影响研究

针对机械臂在笛卡尔空间的轨迹规划,文章提出一种初始构型的最优化方法。首先,采用牛顿-欧拉法建立七自由度空间机械臂的逆动力学方程,从而得到机械臂的反作用力、力矩和机械臂的运动学参数之间的对应关系。其次,利用关节角参数法得到七自由度冗余机械臂的各种初始构型,并基于速度级逆运动学对机械臂进行不同初始构型下的轨迹规划。仿真表明:在不同的初始构型下对机械臂末端进行轨迹规划,机械臂在运动过程中对基座产生的反作用相差较大。因此,通过调整机械臂的初始构型,能大大减小其在运动过程中对航天器的干扰力矩。最后,给出算例验证了方法的有效性,按此方法可找到一种使航天器所受反作用力矩峰值最小的初始构型。     

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。     

空间机械臂关节动力学建模与分析的研究进展

空间机械臂的机械部分是一个由关节和臂杆等结构、机构部件组成,在空间零重力环境下运行的多体系统。关节是空间机械臂的核心部件,在机械臂动力学特性中起着重要的作用。准确全面地了解关节的动力学特性,是正确分析与模拟机械臂系统空间运动特性的关键,而建立精确的关节动力学模型,是机械臂系统设计、分析和控制的基础。文章结合空间应用的特殊性,对机械臂关节动力学建模方法的发展过程和研究成果进行了总结;并讨论了关节模型的求解算法;最后,对空间机械臂关节动力学建模与分析方面有待进一步研究的问题进行了展望。     

有外力作用的多臂自由飞行空间机器人协调操作动力学特性

利用牛顿-欧拉方法分析了有外力作用时多臂自由飞行空间机器人协调操作的动力学特性。首先推导出多臂自由飞行空间机器人协调操作的机械臂关节驱动力矩和关节角速度及角加速度间的关系，其次建立了多臂自由飞行空间机器人系统的动力学方程和动力学计算模型，经仿真分析得到了在不同外力作用下多臂自由飞行空间机器人的本体的位置干扰规律，验证了有外力作用下的多臂自由飞行空间机器人的动力学特性。     

偏置式冗余空间机械臂逆运动学求解的参数化方法

针对肩、肘、腕均有偏置的空间站遥操作机械臂（SSRMS）型7DOF冗余机械臂,提出了逆运动学求解的关节角参数化及臂型角参数化两种方法。前者根据机械臂的臂型特征,推导以θ1、θ2、θ6、θ7中的一个作为给定参数时其他关节角的表达式,得出8种可能解;后者首先构造与SSRMS型机械臂相对应的零偏置球关节-旋转关节-球关节（SRS）机械臂,然后以臂型角为参数求解SRS机械臂的逆运动学,再根据SSRMS与SRS机械臂的关系,得到SSRMS的8组逆解。仿真算例校验了所提方法的有效性。     

空间机械臂捕捉空间目标分析

基于建立的空间机械臂系统的运动学与动力学模型,以及动量守恒关系,对空间机械臂抓取空间目标进行了分析。讨论了两关节机械臂4种碰撞力方向及其对应的机械臂系统耦合角动量、关节转角的变化,提出了直臂抓取方案。仿真结果表明：通过控制碰撞力方向可有效减少碰撞力对系统耦合角动量、关节转角的影响,进而避免混合体控制的关节与力矩限制。     

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。     

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。     

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%。     

多臂空间机器人的视觉伺服与协调控制

针对多臂空间机器人自主目标抓捕任务,首先建立多臂空间机器人的运动模型和其与目标的相对运动模型,采用Kane方法建立多臂空间机器人的动力学模型;其次,研究基于视觉伺服的机械臂在线轨迹规划算法,并引入零反作用机动,消除机械臂运动对平台姿态的扰动;再次,在不使用零反作用机动功能时,分别使用基于角动量前馈补偿的协调控制算法和逆动力学方法设计了协调控制器,在机械臂运动时保持平台姿态和相对目标的位置。最后,开发了基于Matlab的仿真软件MASS（多臂空间机器人仿真）,仿真结果校验了上述方法的有效性。     

不同重力环境下空间机构电机驱动力差异

为了分析空间机构在不同重力环境中的驱动力差异,以单关节机械臂为研究对象,进行不同重力环境下直流电机驱动力差异分析。首先基于拉格朗日方程推导出单关节机械臂的动力学模型,为分析不同重力环境下,负载、摩擦和转速的变化对电机驱动力的影响,通过设计一套基于单关节驱动的机械臂试验装置,进行地面重力环境、地面模拟微重力环境和落塔微重力环境试验。然后基于试验数据详细分析了不同重力环境下空间机构电机驱动电流的差异,并基于试验数据对电机动力学方程中的摩擦参数进行辨识,从而获得基于试验数据修正的机械臂动力学仿真模型,为空间机构动力学设计与应用提供理论与试验依据。     

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。     

机械臂运动学建模及解算方法综述

以串联结构的机械臂为主要研究对象，首先调研了国内外机械臂正逆运动学建模及求解的主流方法，从数学工具、模型建立、求解手段等三个方面分析上述方法的基本原理，分析其优缺点。接着介绍了工程应用中解决机械臂运动学建模及求解问题所用的软件库，得到了不同软件库的精度和计算效率。最后提出了机械臂运动学建模及求解中存在的重要科学问题。通过总结上述方法，为研究人员在该领域内的理论研究及工程实现提供解决思路。     

柔性机械臂关节作动的振动抑制方法和原理性验证

空间机械臂具有柔性大、振动频率低等特点，受激后振动的持续时间长、自然衰减慢。针对空间机械臂运行完成后留存的残余振动，采用固定界面子结构方法推导出关节转动与航天器-机械臂组合体振动的动力学显式关系。从中发现了控制关节转动并使其角速度正比于组合体振动的模态坐标，便能消耗组合体的机械能，加速组合体振动衰减的力学机理。据此，设计了逻辑关系简洁的机械臂关节角速度控制律，分别通过数值仿真和试验件实测对航天器-机械臂组合体的原理性模型开展了振动抑制效果的验证。结果表明:机械臂关节作动可以显著缩短受激后组合体残余振动的持续时间。     

基于空间转换模型的工业机械臂手眼标定方法研究

针对反射镜质量大、尺寸大且装配精度要求高的需求,文章研究了一种机械臂装配系统手眼标定优化方法。有别于传统手眼标定方法仅求解相机与末端执行器相对位姿矩阵的关系,文章将相机成像模型、机械臂运动学模型与eye-to-hand形式的手眼模型进行整体建模,建立了基于装配系统的空间转换模型,采用递推最小二乘参数识别算法对机械臂进行运动学参数标定,研究了机械臂运动学误差分布,完成了手眼标定,提高了机械臂系统的装配精度,绝对定位精度由1.81mm提高至0.29mm,提高了83.98%,实验验证了该方法的有效性。