在軌服務空間機械臂運動及任務規(guī)劃方法研究.pdf

1、機械臂在空間在軌服務過程中起著非常重要的作用，系統(tǒng)地應用空間機械臂能提高宇航員的工作效率并能有效地節(jié)省費用，而自由漂浮空間機械臂由于其耗能低，壽命長，近些年來逐漸成為空間在軌服務研究的重點。
　　本文以兩項國家863科研項目為依托，主要研究空間機械臂的運動學建模問題、空間機械臂的運動規(guī)劃、基于在軌服務的多目標任務規(guī)劃、避障規(guī)劃以及空間機械臂綜合任務規(guī)劃，并應用Orbiter系統(tǒng)進行仿真研究。
　　本文的主要內容為:
　

2、　(1)調研了國內外空間機械臂的發(fā)展情況，介紹了空間在軌服務的任務體系及典型任務，最詳細闡述了近年來國內外的空間機械臂理論研究的重點難點問題。
　　(2)基于四點假設，建立了空間機械臂的坐標系統(tǒng)。對廣義雅克比矩陣及虛擬機械臂的建模方法進行分析，針對目前建模方法的計算量大、系統(tǒng)模型不直觀的問題，提出了基于互相映射的坐標系方法。
　　(3)進行了自由漂浮空間機械臂運動規(guī)劃研究，分別包括:關節(jié)空間點到點運動規(guī)劃、笛卡爾空間點到點的

3、路徑規(guī)劃和笛卡爾空間連續(xù)性路徑規(guī)劃。
　　(4)根據(jù)當前空間機械臂的任務追蹤過程以及在軌服務任務的復雜情況，建立了空間機械臂多目標在軌任務模型。結合鄰域搜索算法利用非線性分段優(yōu)化算法解決空間機械臂的多目標任務的問題。
　　(5)建立了不同種類障礙物的包圍盒及碰撞檢測算法，使用位姿空間分段搜索的方法解決了機械臂與服務星和目標星的碰撞問題，提出了基于遺傳算法的全局性避障及任務規(guī)劃方法。
　　(6)應用Orbiter系統(tǒng)對空

4、間機械臂的整體任務規(guī)劃進行了仿真和驗證，并模擬了在軌服務觀測的攝像頭視角，更直觀地仿真了空間機械臂系統(tǒng)的在軌服務任務。
　　本文的主要創(chuàng)新工作如下:
　　(1)提出了建立互映射空間坐標系的方法，改進了廣義雅可比矩陣的建模方法，使得模型更直觀，有效地降低了廣義雅克比矩陣方法計算復雜度。
　　(2)在基于笛卡爾空間的點到點運動規(guī)劃方法中，利用基于六次多項式樣條函數(shù)的雙參數(shù)法規(guī)劃關節(jié)的角速度變化曲線，結合牛頓法和割線法對關節(jié)

5、參數(shù)迭代，提高了迭代效率，得到的空間機械臂運動軌跡滿足任務要求。
　　(3)在空間機械臂的連續(xù)性路徑規(guī)劃方面，為避免連續(xù)性路徑過程中動力學奇異問題，基于分段進化算法，將連續(xù)性路徑規(guī)劃轉化為點到點路徑規(guī)劃，解決了連續(xù)性路徑規(guī)劃不連續(xù)可微和動力學奇異點的問題，增加了機械臂規(guī)劃軌跡的靈活性。
　　(4)提出了遺傳進化算法與包圍盒碰撞檢測算法、分段算法相結合的方法解決空間機械臂的避障規(guī)劃與任務規(guī)劃，可解決避障規(guī)劃中所產(chǎn)生的對基座擾動