面向ORU更換的冗余機(jī)械臂及其柔順控制的研究.pdf

1、隨著空間技術(shù)的發(fā)展，如何保證航天器在復(fù)雜的空間環(huán)境中穩(wěn)定持久的運(yùn)行成為空間技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的重要問題。在軌維護(hù)技術(shù)的發(fā)展將為航天器提供有力的后勤保障。目前我國的在軌維護(hù)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距，發(fā)展在軌維護(hù)技術(shù)將對我國航天高技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。本文以國防科工局民用航天項目“XXX試驗系統(tǒng)研究”為背景，研制了一套面向ORU（Orbital Replacement Unit）更換任務(wù)的小型機(jī)械臂樣機(jī)，開展了機(jī)械臂逆運(yùn)動學(xué)求解

2、與運(yùn)動優(yōu)化、在軌維護(hù)操作策略等關(guān)鍵技術(shù)的研究，并在地面環(huán)境下進(jìn)行了ORU更換實驗。
　　從機(jī)械臂構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計角度，本文對面向ORU更換的典型機(jī)械臂構(gòu)型進(jìn)行了研究，并確定了機(jī)械臂的合理構(gòu)型與幾何尺寸。根據(jù)任務(wù)要求，提出了九種不同機(jī)械臂構(gòu)型，并從操作能力、靈活性、可折疊性、結(jié)構(gòu)簡易性以及運(yùn)動學(xué)計算等方面綜合分析，選用腕部非偏置的SRS構(gòu)型作為機(jī)械臂的最終構(gòu)型，通過理論分析與優(yōu)化計算確定了機(jī)械臂的幾何尺寸；為了從理論上說明不同構(gòu)型機(jī)械

3、臂的逆運(yùn)動學(xué)復(fù)雜性，提出了逆序坐標(biāo)法、虛擬重構(gòu)法和參數(shù)化臂角法，分別用于求解三類不同機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)封閉解，即含有球型基關(guān)節(jié)和非球型腕關(guān)節(jié)的機(jī)械臂（構(gòu)型Ⅰ）、含有Pieper構(gòu)型或Duffy構(gòu)型的機(jī)械臂（構(gòu)型Ⅱ）以及SRS仿人機(jī)械臂（構(gòu)型Ⅲ），三種方法建立了對應(yīng)構(gòu)型機(jī)械臂封閉解計算的求解流程，簡化了逆運(yùn)動學(xué)的求解過程；與逆序坐標(biāo)法相比，虛擬重構(gòu)法的應(yīng)用范圍更廣；此外，采用代數(shù)法確定了七自由度機(jī)械臂在關(guān)節(jié)限位約束下臂角參數(shù)的有效范圍，為機(jī)

4、械臂的運(yùn)動優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　從機(jī)械臂系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)角度，本文根據(jù)ORU更換任務(wù)分析了機(jī)械臂系統(tǒng)的特點，建立了包含七自由度機(jī)械臂和末端執(zhí)行器的層次化系統(tǒng)框架?；诰植磕K化設(shè)計思想，研制了三種不同尺寸的具有力/位感知、過載保護(hù)及失電制動功能的高集成度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；此外，研制了一套具有目標(biāo)對接/釋放及位置容差能力的末端執(zhí)行器；在此基礎(chǔ)上，通過采用分布式控制及內(nèi)部走線方式，實現(xiàn)了機(jī)械臂關(guān)節(jié)之間、機(jī)械臂與執(zhí)行器之間的可拆卸式電氣連接，使

5、機(jī)械臂系統(tǒng)具有較大的活動范圍、較高的可靠性和負(fù)載自重比以及對目標(biāo)的容差操作能力，能夠滿足地面環(huán)境下的任務(wù)操作要求。
　　從冗余機(jī)械臂的運(yùn)動優(yōu)化角度，本文對具有運(yùn)動約束的冗余機(jī)械臂運(yùn)動優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。以平面冗余機(jī)器人為模型，提出了一種自尋優(yōu)方法，利用機(jī)器人在虛擬轉(zhuǎn)矩作用下向平衡狀態(tài)自運(yùn)動的特性進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，采用自尋優(yōu)方法實現(xiàn)了任務(wù)操作過程中冗余機(jī)械臂避關(guān)節(jié)限位的運(yùn)動優(yōu)化；針對冗余機(jī)械臂運(yùn)動過程中關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃問

6、題，建立了關(guān)于臂角參數(shù)的一維優(yōu)化模型，并采用無性生殖優(yōu)化方法，快速高效地實現(xiàn)了任務(wù)操作過程中關(guān)節(jié)軌跡的全局優(yōu)化；針對末端位姿欠約束的操作任務(wù)，提出了改進(jìn)的梯度投影方法，通過將任務(wù)空間分解為兩個正交子空間，有效解決了同時具有本質(zhì)性冗余和功能性冗余的機(jī)械臂的多目標(biāo)運(yùn)動優(yōu)化問題。
　　從ORU更換任務(wù)的實現(xiàn)角度，本文對冗余機(jī)械臂系統(tǒng)的操作策略及柔順控制方法進(jìn)行了研究。根據(jù)ORU更換任務(wù)的特點，將操作流程劃分為四種不同的階段，并建立了對應(yīng)