雙臂空間機(jī)器人捕獲與操作目標(biāo)的協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、隨著空間探索的不斷深入，空間機(jī)器人系統(tǒng)在航天器設(shè)備的在軌裝配、維修以及維護(hù)等方面扮演著越來(lái)越重要的角色。與單臂相比，雙臂空間機(jī)器人具有更高的靈活性、可靠性及容錯(cuò)性，將成為未來(lái)在軌服務(wù)的主力。然而，在動(dòng)力學(xué)建模、路徑規(guī)劃以及控制等方面，雙臂空間機(jī)器人更加復(fù)雜，特別是形成閉鏈的情況。本文針對(duì)空間目標(biāo)在軌捕獲及操作任務(wù)，開(kāi)展了雙臂空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、雙臂協(xié)調(diào)軌跡規(guī)劃及柔順控制等的研究。
　　雙臂同時(shí)抓持并操作目標(biāo)時(shí)將形成閉鏈系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)特

2、性極其復(fù)雜。為對(duì)軌跡規(guī)劃、控制及仿真提供依據(jù)，建立了雙臂空間機(jī)器人閉鏈動(dòng)力學(xué)模型，并提出了基于限制型約束的數(shù)值求解方法。通過(guò)牛頓歐拉法建立了開(kāi)鏈雙臂動(dòng)力學(xué)方程，應(yīng)用切斷鉸約束建立運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程，合并后組建閉鏈動(dòng)力學(xué)方程，該方法適用于雙臂協(xié)調(diào)操作的動(dòng)力學(xué)建模。所建立的模型作為后續(xù)開(kāi)展動(dòng)力學(xué)特性分析、軌跡規(guī)劃與控制等研究的基礎(chǔ)。
　　由于機(jī)械臂與基座之間存在動(dòng)力學(xué)耦合，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生對(duì)基座的擾動(dòng)使其姿態(tài)及質(zhì)心位置發(fā)生變化，該變化又

3、進(jìn)一步改變了機(jī)械臂末端的位姿。這一特性的存在影響了空間機(jī)械臂執(zhí)行在軌任務(wù)的效率。將機(jī)械臂與基座之間的動(dòng)力學(xué)耦合分解為質(zhì)心及姿態(tài)兩部分，提出了位置級(jí)與速度級(jí)相結(jié)合的耦合特性分析方法。基座質(zhì)心的線速度滿(mǎn)足線動(dòng)量守恒這一完整約束，通過(guò)建立基座質(zhì)心虛擬機(jī)械臂的位置級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，反映了質(zhì)心位置與各關(guān)節(jié)的關(guān)系；而基座角速度與關(guān)節(jié)角速度滿(mǎn)足的角動(dòng)量守恒方程為非完整約束，因此，采用速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)描述基座姿態(tài)與機(jī)械臂關(guān)節(jié)角的關(guān)系。論文還定義了用于描述耦合程

4、度的耦合因子，并繪制了基座姿態(tài)耦合圖?；旌系膭?dòng)力學(xué)耦合建模與分析方法解決了傳統(tǒng)方法中奇異構(gòu)型繁多，計(jì)算效率不高的問(wèn)題。
　　目標(biāo)捕獲與操作是實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)的關(guān)鍵，利用雙臂執(zhí)行此任務(wù)可增加任務(wù)的有效性和可靠性。提出了目標(biāo)捕獲前及捕獲后的雙臂協(xié)調(diào)軌跡規(guī)劃算法。捕獲前，雙臂根據(jù)手眼視覺(jué)提供的目標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)，直到雙臂同時(shí)抓住目標(biāo)；當(dāng)捕獲后，需要將目標(biāo)?？康竭m合于維修的位置，此過(guò)程主要通過(guò)閉鏈運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的求解實(shí)現(xiàn)雙臂