空間機(jī)械臂目標(biāo)捕獲的路徑規(guī)劃及碰撞問題研究.pdf

1、最近幾十年來，空間機(jī)械臂在執(zhí)行太空任務(wù)中起著越來越顯著的作用，其中目標(biāo)捕獲作為一項(xiàng)基本操作內(nèi)容，很多空間任務(wù)如在軌服務(wù)、檢測、組裝等都需要執(zhí)行捕獲操作，因此，目標(biāo)捕獲在空間機(jī)械臂研究領(lǐng)域尤為重要。本文研究空間機(jī)械臂捕獲動目標(biāo)的相關(guān)問題，重點(diǎn)研究捕獲操作中決定碰撞初始條件的路徑規(guī)劃以及末端與目標(biāo)之間的碰撞問題、及碰撞沖量的最小化。
　　首先，介紹自由漂浮空間機(jī)械臂工作過程中的典型問題，概述現(xiàn)階段目標(biāo)捕獲技術(shù)的研究進(jìn)展。
　　其

2、次，對于空間機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)建模問題，借鑒已有建模方法，通過引入動量守恒法則，推導(dǎo)出系統(tǒng)廣義雅可比矩陣運(yùn)動學(xué)方程，分析了空間機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)性能，包括姿態(tài)干擾特性、角動量非完整約束特性。利用拉格朗日方程建立了系統(tǒng)的動力學(xué)方程。系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)方程是本文后續(xù)研究的基礎(chǔ)。
　　空間機(jī)械臂笛卡爾空間點(diǎn)對點(diǎn)路徑是一個(gè)正運(yùn)動學(xué)迭代求解的過程，其求解的一般方法是，利用五次多項(xiàng)式將關(guān)節(jié)運(yùn)動函數(shù)參數(shù)化，并對該函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，最后利用數(shù)值求解方

3、法得到在此范圍內(nèi)的收斂關(guān)節(jié)參數(shù)，及實(shí)際規(guī)劃時(shí)間。為了便于在軌路徑規(guī)劃，本文采用擬Newton數(shù)值迭代法求解關(guān)節(jié)參數(shù)，與以往的Newton方法相比，該方法的計(jì)算效率高明顯提高。對于連續(xù)路徑規(guī)劃，基于廣義雅可比矩陣運(yùn)動學(xué)方程，采用速度級求逆的方法，得到滿足笛卡爾空間連續(xù)路徑要求的關(guān)節(jié)空間運(yùn)動速度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端位姿對軌跡的連續(xù)跟蹤。本文設(shè)計(jì)機(jī)械手末端沿圓弧軌跡做擺線形式的運(yùn)動，從仿真中可以看出，擺線形式的運(yùn)動在軌跡端點(diǎn)處的速度和加速度為

4、零，滿足捕獲靜止目標(biāo)時(shí)相對速度為零的要求，便于關(guān)節(jié)空間速度級控制的實(shí)現(xiàn)。
　　最后，對于捕獲動目標(biāo)的碰撞問題，分析了目標(biāo)具有形狀情況下的碰撞過程，從沖量的觀點(diǎn)出發(fā)，利用空間機(jī)械臂動量表達(dá)式來推導(dǎo)碰撞動力學(xué)方程，得到了平臺與目標(biāo)之間線速度和角速度變化關(guān)系的動力學(xué)方程一，末端與目標(biāo)之間線速度和角速度變化關(guān)系的碰撞動力學(xué)方程二，并以動力學(xué)方程二計(jì)算出碰撞過程中所產(chǎn)生的沖量。分析該沖量表達(dá)可知，碰撞過程產(chǎn)生的沖量大小與臂型、碰撞點(diǎn)相對速度