自由漂浮空間機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)及目標(biāo)捕獲研究.pdf

1、隨著人類對太空探索的不斷深入，自由漂浮空間機(jī)器人將發(fā)揮著越來越重要的作用，成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題。由于自由漂浮空間機(jī)器人的基座處于自由漂浮狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)受到非完整約束，使得自由漂浮空間機(jī)器人對目標(biāo)航天器的捕獲變得十分困難，為了更好地設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)與研究自由漂浮空間機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，有必要對自由漂浮空間機(jī)器人進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)研究。由于航天系統(tǒng)的特殊性，需要高效率的多體動(dòng)力學(xué)建模與計(jì)算方法。本文以此為背景，重點(diǎn)研究了自由漂浮空間機(jī)器人及其

2、擴(kuò)展系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)以及自由漂浮空間機(jī)器人目標(biāo)捕獲的方法，并提出了一種地面試驗(yàn)系統(tǒng)方案。下面對這幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的介紹：
　　 研究了基于空間算子代數(shù)(Spatial Operator Algreba，SOA)理論的高效率多體動(dòng)力學(xué)建模方法，利用基于旋量形式的牛頓.歐拉遞推運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，使用序貫濾波和光滑化最優(yōu)估計(jì)理論方法，對多體系統(tǒng)的廣義質(zhì)量矩陣進(jìn)行矩陣分解，并且顯式地表達(dá)了廣義質(zhì)量矩陣的逆矩陣，建立了通用的基于空間算子代數(shù)理論

3、的多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程以及正向動(dòng)力學(xué)和反向動(dòng)力學(xué)的高效率求解方法。該方法具有數(shù)學(xué)表達(dá)形式直觀、計(jì)算高效和物理意義明確等優(yōu)點(diǎn)。
　　 基于空間算子代數(shù)理論，對自由漂浮空間機(jī)器人的擴(kuò)展系統(tǒng)進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)研究，建立了樹形多體系統(tǒng)、欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。高效率的動(dòng)力學(xué)方法為空間復(fù)雜多體系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)仿真以及控制系統(tǒng)的建模分析提供了理論依據(jù)。研究了基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人控制算法，類比于廣義質(zhì)量矩陣的分塊將控制系

4、統(tǒng)進(jìn)行分層，在只有主動(dòng)控制輸入的情況下，使得主動(dòng)關(guān)節(jié)和被動(dòng)關(guān)節(jié)都收斂到期望的狀態(tài)。
　　 研究了柔性系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)問題。利用有限元技術(shù)，結(jié)合基于空間算子代數(shù)的多剛體動(dòng)力學(xué)方法，建立了柔性體的多體動(dòng)力學(xué)方程，研究了柔性多體系統(tǒng)的正向動(dòng)力學(xué)和方向動(dòng)力學(xué)高效率求解方法。
　　 基于雙目立體視覺伺服方法，提出了自由漂浮空間機(jī)器人目標(biāo)捕獲的方法，編制了仿真軟件。利用雙目立體視覺系統(tǒng)測量目標(biāo)體的空間位置姿態(tài)，反饋給機(jī)器人控制系統(tǒng)，根

5、據(jù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，利用高效率的實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)方法實(shí)現(xiàn)基座在仿真軟件中的運(yùn)動(dòng)。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)基于雙目立體視覺伺服的自由漂浮空間機(jī)器人可以跟蹤并達(dá)到目標(biāo)體的位置，表明所提出的目標(biāo)捕獲方法是可行的。
　　 對航天器活動(dòng)的可靠性和可行性分析，不僅需要理論上的驗(yàn)證，還需要實(shí)際地在地面進(jìn)行物理試驗(yàn)驗(yàn)證。利用空間算子代數(shù)動(dòng)力學(xué)建模和計(jì)算方法在實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)計(jì)算效率方面的優(yōu)勢，提出了一種混合式的地面試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案：將工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器與空間機(jī)器