行星采样柔性机械臂运动规划研究

为适应行星表面较大范围的采样要求及系统减重的需求,采样机械臂通常是细长形臂杆加多关节组成的连杆型关节机械臂,这使得抑制柔性振动成为机械臂控制系统的研究重点。针对采样机械臂的工作过程,提出带抛物线过渡的平滑轨迹规划方法,即在运动过程中使加速度连续,避免关节转动的力矩突变,并且最大限度降低峰值。首先建立基于D-H法的机械臂运动学方程,然后在考虑臂杆及关节柔性的动力学模型环境下,进行变加速—匀速—变减速的笛卡尔空间加速度连续平滑轨迹规划运动,达到减小柔性臂振动、提高定位精度的目的。仿真结果表明,在运动规划中引入抛物线过渡的加速度连续环节、降低加速度冲击可以明显改善运动平稳性,对提高动态跟踪精度有直接作用。     

多关节轻型机械臂的设计研究

根据现有空间机械臂的结构特点,参照几种轻型机械臂的设计,设计了一种两自由度机械臂运动模块,并根据此模块研制了一台6自由度空间机械臂。运动模块由两个相邻关节轴线正交的关节组成,关节内部没有驱动器。机械臂内有一根高速主轴,为各个串联关节提供动能。机械臂控制系统采用上下位机方式,上位机根据虚拟场景仿真的运动轨迹发出控制指令给关节控制器,下位机根据关节状态表控制离合器组输入关节的能量。为确定机械臂在工作过程中的强度和稳定性,建立了机械臂的有限元模型,分析了其工作态的应力情况和动态特性。仿真结果表明,机械臂在工作态有足够的强度,在抓取的过程中,机械臂固有频率远离激励源的激励频率,无共振现象。通过多关节联动,机械臂可实现多种组合姿态,适用于在轨维修、加注等复杂空间任务。     

一种基于六自由度并联机构的动基座模拟器

介绍了一种基于六自由度并联机构的海浪模拟器。该模拟器系统采用 6UPS并联机器人作为机械台体 ,由伺服电机驱动 ,具有六个运动自由度 ,可以在一定程度上模拟舰艇水面水下运动情况 ,从而为各类舰艇导航系统和瞄准设备的研发提供支撑载体。实验和使用表明系统控制精度高、性能良好 ,安全稳定     

自由浮动空间机械臂的最优控制

自由浮动空间机械臂所满足的动量矩守恒方程是一个非完整约束条件。首先把铰关节角速度作为输入，建立起系统的状态方程。然后把输入表示成待定系数的Ｆｏｕｒｉｅｒ 基组合，从而将最优控制转化为对代数问题的求解。最后用非线性最小二乘法迭代求出同时使载体和铰关节达到预定位形，而且使输入能量最小的最优控制。仿真算例说明，本文的方法是有效的。     

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。     

三自由度平面驱动冗余并联机器人的设计空间

机器人机构尺寸综合是一个极其复杂而重要的问题,本文采用空间模型理论将三自由度平面驱动冗余并联机器人机构无限多维的物理尺寸转换为三维而有限的设计空间中,进一步得到了设计空间的平面图,并给出了其应用例。设计空间的建立为研究该机器人性能与尺寸关系及其优化设计奠定了基础。     

基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划

为了使太空机械臂在关节锁定故障后仍能继续完成后续任务,提出一种基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划方法。基于牛顿-拉夫逊法计算太空机械臂关节人为限位,完成满足任务需求的退化工作空间求解,通过构造姿态可达度指标,在退化工作空间的基础上建立故障机械臂基坐标系下的位姿可达空间。通过在代价函数中增加最小奇异值代价项改进传统A^*算法,基于改进A^*算法在所建立的位姿可达空间内完成太空机械臂容错路径规划。所提方法综合了位姿可达空间与改进A^*算法各自的优势,实现了关节锁定故障太空机械臂同时满足避奇异与位姿可达要求的轨迹搜索。通过建立7自由度太空机械臂运动学模型开展数值仿真研究,仿真结果验证了所提容错路径规划方法的有效性。     

球铰接杆式支撑臂展开过程中横向振动分析

针对展开过程中球铰接杆式支撑臂时变构型的横向振动问题,推导了支撑臂等效连续体模型的各向等效刚度,基于Hamilton原理推导了支撑臂展开过程的控制方程,采用加权余量法将偏微分控制方程转化为常微分方程,利用Runge Kutta法对方程进行了数值求解。计算结果表明：在收拢过程中,支撑臂末端的横向振幅越来越小,收拢过程是安全可靠的;而在展开过程中,末端的横向振幅随展开进程而增加,且振幅随末端负载质量增加而增加;若不考虑锁定冲击,展开速度对支撑臂横向振动的振幅影响可忽略,若考虑锁定带来的周期性冲击时,支撑臂的横向振幅将显著增大。为减小支撑臂的横向振动,必须对支撑臂展开速度加以限制。研究结果为航天器支撑臂在轨展开的控制提供了参考。     

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。     

用于非线性有源天线的耦合锁相环特性分析

为实现非线性有源天线阵波束扫描,研究了互耦锁相环(PLL)的基本特性。通过对互耦PLL的相位动力学方程的稳定性进行分析,建立了具有延时的阵列模型;通过调节环路延时,互耦PLL不同的非线性动力学特性;采用四单元的耦合锁相环阵列实验电路对理论分析进行了验证,从而提出了在设计基于耦合锁相环的非线性有源天线时,必须对环路延时进行控制,防止环路出现振荡和混沌现象。