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空间机器人目标捕获的轨迹优化及实验研究

作　者: 朱奎
导　师: 高晓辉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 空间机器人 目标捕获 姿态调整 反作用力矩 地面实验
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着空间探索的深入,空间机器人将发挥越来越重要的作用。空间机器人得以应用的一项关键技术是目标捕获。由于空间机器人与其载体飞行器之间存在动力学耦合,机器人在进行捕获任务时会对载体产生干扰,导致载体飞行器与地面通信失败,根据这一问题,本文进行了空间机器人目标捕获运动的轨迹优化研究,针对不同载体状态的空间机器人提出优化目标和方法,并结合实例进行对比仿真研究和地面实验研究。本文首先建立空间机器人的运动学和动力学数学模型,根据基座姿态是否受控,推导了空间机器人自由飞行和自由漂浮状态相应的正运动学方程、基于广义雅克比矩阵逆的速度级逆运动学方程和自由飞行空间机器人的动力学方程。介绍了本文的研究对象,并根据本文要研究的六自由度机器人系统的运动学、动力学参数分析了空间机器人的特点。其次本文研究了空间机器人的轨迹优化问题。分别提出了空间机器人关节空间和笛卡尔空间的轨迹参数化方程,并根据空间机器人的不同状态提出了不同的优化目标:自由漂浮空间机器人的姿态优化和自由飞行空间机器人的力矩优化。选择遗传算法作参数优化策略,设计了空间机器人关节空间和笛卡尔空间的优化流程。在笛卡尔空间优化中引入奇异标记,使优化轨迹中不包含奇异点。最后本文建立了空间机器人仿真环境,结合具体算例,进行自由漂浮空间机器人关节空间姿态调整优化仿真、笛卡尔空间姿态无扰优化仿真和自由飞行空间机器人关节空间、笛卡尔空间力矩峰值优化仿真,对仿真结果进行了对比分析。本文通过相对运动思想建立自由漂浮空间机器人地面试验系统,进行三自由度机器人姿态优化实验,证明了在具有相同关节轨迹情况下自由飞行空间机器人与地面机器人对载体干扰力矩是近似相等的,并据此建立自由飞行空间机器人地面力矩实验平台,进行力矩优化地面实验。本文的优化方法可以实现通过优化自由漂浮空间机器人关节空间轨迹使关节状态和载体姿态同时达到期望值,也可以实现末端到达期望位姿和载体姿态无扰。对自由飞行空间机器人,本算法可以降低控制航天器载体姿态的压力。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-19
  1.1 课题来源与研究意义  10-11
  1.2 典型的空间机械臂系统  11-13
    1.2.1 日本空间机器人  11
    1.2.2 德国空间机器人  11-12
    1.2.3 美国空间机器人  12-13
  1.3 空间机器人基本理论研究  13-16
    1.3.1 空间机器人建模方法研究  14
    1.3.2 空间机器人反作用运动规划研究  14-16
  1.4 空间机器人地面实验系统研究  16-18
  1.5 本文主要内容  18-19
第2章 空间机器人建模及运动特性研究  19-31
  2.1 引言  19
  2.2 空间机器人运动学建模  19-24
    2.2.1 自由漂浮空间机器人逆运动学模型  20-23
    2.2.2 自由飞行空间机器人逆运动学模型  23-24
  2.3 空间机器人逆动力学建模  24-25
  2.4 空间机器人模型及坐标建立  25-26
  2.5 空间机器人的运动学特性  26-30
    2.5.1 干扰特性  26-27
    2.5.2 非完整性  27-29
    2.5.3 动力学奇异性  29-30
  2.6 本章小结  30-31
第3章 空间机器人的轨迹优化研究  31-46
  3.1 引言  31
  3.2 遗传算法简介  31-33
  3.3 空间机器人轨迹优化的参数化方法  33-40
    3.3.1 关节空间轨迹参数化方程  33-37
    3.3.2 笛卡尔空间轨迹参数化方程  37-40
  3.4 空间机器人轨迹优化  40-44
    3.4.1 自由飞行空间机器人优化目标  40
    3.4.2 自由漂浮空间机器人优化目标  40-42
    3.4.3 关节空间路径优化  42
    3.4.4 笛卡尔空间路径优化  42-44
  3.5 本章小节  44-46
第4章 自由漂浮空间机器人优化仿真及实验研究  46-65
  4.1 引言  46
  4.2 空间机器人仿真环境  46-48
    4.2.1 数值仿真系统开发环境  46-47
    4.2.2 图形仿真系统的开发环境  47-48
  4.3 自由漂浮空间机器人优化算例及仿真  48-58
    4.3.1 关节空间优化算例及仿真  48-54
    4.3.2 笛卡尔空间优化算例及仿真  54-58
  4.4 自由漂浮空间机器人目标捕获轨迹优化地面实验  58-64
    4.4.1 相对运动思想  58-59
    4.4.2 实验平台搭建  59-60
    4.4.3 实验结果  60-64
  4.5 本章小结  64-65
第5章 自由飞行空间机器人优化仿真及实验研究  65-76
  5.1 引言  65
  5.2 自由飞行空间机器人优化及仿真  65-69
    5.2.1 自由飞行空间机器人关节空间轨迹优化仿真  66-67
    5.2.2 自由飞行空间机器人笛卡尔空间轨迹优化仿真  67-69
  5.3 自由飞行空间机器人优化地面实验研究  69-74
    5.3.1 地面固定基座机器人近似推导  69-70
    5.3.2 地面实验平台建立  70-72
    5.3.3 实验结果  72-74
  5.4 本章小结  74-76
结论  76-77
参考文献  77-81
攻读硕士学位期间所撰写的论文  81-83
致谢  83

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 工业机器人
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