多臂自由飛行空間機(jī)器人協(xié)調(diào)操作研究.pdf

1、多臂自由飛行空間機(jī)器人（Multiple-arm Free-Flying Space Robot簡(jiǎn)稱多臂 FFSR）又叫機(jī)器人衛(wèi)星，由機(jī)器人本體和安裝于本體的多個(gè)機(jī)械臂組成，能夠在宇宙空間自由浮游或飛行，代替宇航員執(zhí)行危險(xiǎn)的艙外作業(yè)。由于 FFSR沒(méi)有固定的機(jī)座，組成機(jī)械臂的各個(gè)部件的運(yùn)動(dòng)會(huì)干擾機(jī)器人本體的位姿；如果機(jī)器人本體的姿態(tài)變化超出了規(guī)定的姿態(tài)角，將直接影響機(jī)器人本體上的太陽(yáng)能帆板和通訊天線的正常工作。本文從該機(jī)器人的工作空間劃

2、分入手，分析了該機(jī)器人進(jìn)行空間作業(yè)時(shí)如何保持本體姿態(tài)穩(wěn)定的前提下捕捉目標(biāo)物體。在捕捉到目標(biāo)物體后不啟動(dòng)姿態(tài)調(diào)整裝置的情況下，對(duì)多臂協(xié)調(diào)操作目標(biāo)物體時(shí)本體的姿態(tài)干擾特性、多臂協(xié)調(diào)操作時(shí)關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算方法以及外力對(duì)多臂FFSR的協(xié)調(diào)操作的影響等方面進(jìn)行了深入研究。將模糊控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用在多臂FFSR的控制中，通過(guò)仿真證明所提出的控制方法對(duì)外部干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化有很強(qiáng)的魯棒性。
　　基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)增廣體法建立了多臂自由飛行空

3、間機(jī)器人的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了廣義雅克比矩陣的結(jié)構(gòu)及其奇異性，給出了多臂FFSR動(dòng)力學(xué)奇異的定義。仿真證明多臂FFSR系統(tǒng)是非完整約束系統(tǒng)，機(jī)械手任務(wù)空間的奇異性同它的運(yùn)動(dòng)路徑有關(guān)。通過(guò)對(duì)多臂FFSR工作空間的分析，給出了可達(dá)工作空間、路徑獨(dú)立工作空間和保證工作空間的定義。通過(guò)對(duì)機(jī)械手捕捉住目標(biāo)物體后各個(gè)機(jī)械手的工作空間的變化的分析，得到了目標(biāo)物體的質(zhì)量對(duì)多臂FFSR各個(gè)機(jī)械手工作空間的影響，為操作目標(biāo)物體的路徑規(guī)劃打下了基礎(chǔ)。

4、r>　　基于冗余分解方法建立了多臂FFSR協(xié)調(diào)操作目標(biāo)捕捉運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，提出了利用多個(gè)機(jī)械臂協(xié)調(diào)操作方式減輕反作用飛輪負(fù)荷的方法，利用多臂FFSR系統(tǒng)的冗余特性和廣義雅可比矩陣零空間的性質(zhì)，得到了具有冗余自由度的多機(jī)械手按規(guī)定軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)角加速度的計(jì)算方法，給出了目標(biāo)捕捉過(guò)程中多臂FFSR關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算方法。在加速度級(jí)上通過(guò)冗余分解計(jì)算機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，利用向量范數(shù)最小原理，對(duì)多臂FFSR的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行優(yōu)化，使空間機(jī)器人

5、驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂所消耗的功率最小化。
　　建立了機(jī)械手牢固地抓緊目標(biāo)物體所形成閉合運(yùn)動(dòng)鏈時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)多個(gè)機(jī)械手同時(shí)抓住目標(biāo)物體，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)操作過(guò)程進(jìn)行了仿真，得出了各個(gè)機(jī)械臂之間的相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系和目標(biāo)物體質(zhì)量對(duì)協(xié)調(diào)操作特性的影響規(guī)律?；谂ｎD——?dú)W拉法建立了多臂FFSR協(xié)調(diào)操作的動(dòng)力學(xué)方程，避免了拉格朗日方程需要求能量函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)的問(wèn)題，提高了計(jì)算速度。為了保持FFSR機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)同目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)要保持一致并保持一定的接觸力，建

6、立了多臂協(xié)調(diào)操作時(shí)目標(biāo)物體的位置和內(nèi)力控制模型，并在Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了所建立控制系統(tǒng)模型是正確的。
　　在多臂FFSR協(xié)調(diào)操作動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了等效滑模控制器的控制輸入，將滑模變結(jié)構(gòu)控制對(duì)系統(tǒng)的不確定因素和外部干擾具有較強(qiáng)魯棒性的特點(diǎn)同模糊控制對(duì)控制信號(hào)具有邏輯判斷能力和邏輯推理能力的特點(diǎn)相結(jié)合，利用模糊控制動(dòng)態(tài)調(diào)整滑?？刂圃鲆婧突Ｃ嫫露?，加快了系統(tǒng)進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)的過(guò)程并減小了系統(tǒng)的抖振。將PID控制器