雙臂空間機(jī)器人捕獲自旋目標(biāo)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究.pdf

1、隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人類空間活動(dòng)日益頻繁，為了提高工作效率和降低宇航員的風(fēng)險(xiǎn)，空間機(jī)器人將在未來(lái)的在軌服務(wù)中扮演越來(lái)越重要的角色，而目標(biāo)捕獲是在軌服務(wù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本文以國(guó)家863計(jì)劃航天領(lǐng)域某重大項(xiàng)目為背景，開(kāi)展自旋目標(biāo)捕獲的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究，為未來(lái)我國(guó)空間機(jī)器人在軌服務(wù)技術(shù)的實(shí)用化奠定基礎(chǔ)。
　　實(shí)際在軌服務(wù)的對(duì)象為在軌故障衛(wèi)星、空間垃圾等，可能處于自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這對(duì)目標(biāo)捕獲提出了巨大挑戰(zhàn)。經(jīng)過(guò)大量調(diào)研，總結(jié)了自旋目標(biāo)的實(shí)際

2、運(yùn)動(dòng)特征，并從理論上建立了其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)該模型采用無(wú)損卡爾曼濾波方法對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于此提出了單臂自主捕獲及雙臂協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋目標(biāo)的成功捕獲。
　　由于存在動(dòng)力學(xué)耦合，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變基座的姿態(tài)及質(zhì)心位置，從而影響任務(wù)的執(zhí)行。首先建立了“基座質(zhì)心等效機(jī)械臂”的模型，基于此提出了保持基座穩(wěn)定的無(wú)奇異多臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。通過(guò)求解等效機(jī)械臂的位置級(jí)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)確定平衡臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，不需求解微分運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可很

3、好地回避了傳統(tǒng)方法中存在的雅克比矩陣奇異的問(wèn)題。該方法對(duì)平衡臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)及安裝位置無(wú)特殊要求，具有更好的通用性。
　　與捕獲前的狀態(tài)相比，目標(biāo)捕獲后形成的復(fù)合體系統(tǒng)的質(zhì)量特性和動(dòng)量發(fā)生了很大改變，可能失穩(wěn)。針對(duì)此問(wèn)題提出了兩種基于角動(dòng)量守恒的協(xié)調(diào)規(guī)劃方法：關(guān)節(jié)阻尼和關(guān)節(jié)函數(shù)參數(shù)化。通過(guò)協(xié)調(diào)規(guī)劃各關(guān)節(jié)和飛輪的速度實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)角動(dòng)量的重分配。在此基礎(chǔ)上，采用粒子群算法優(yōu)化關(guān)節(jié)函數(shù)參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)停靠的同時(shí)保證基座姿態(tài)的偏轉(zhuǎn)最小

4、。該方法采用實(shí)際飛輪作為動(dòng)量交換裝置，具有很好的工程可實(shí)現(xiàn)性。
　　為了對(duì)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于動(dòng)力學(xué)模擬與運(yùn)動(dòng)學(xué)等效的思想建立了一套地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。提出了兩種基于6自由度工業(yè)機(jī)器人的自旋運(yùn)動(dòng)模擬方法：機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)模擬法和機(jī)械臂肩部奇異運(yùn)動(dòng)模擬法。后者充分利用了肩部奇異構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)特性，考慮了實(shí)際的關(guān)節(jié)約束，具有很強(qiáng)的工程可實(shí)現(xiàn)性。該系統(tǒng)具備多種任務(wù)的演示能力，可充分利用成熟的工業(yè)產(chǎn)品，減少了開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，利用該系統(tǒng)對(duì)