自重構(gòu)多分支空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與軌跡規(guī)劃的研究.pdf

1、隨著航天技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的在軌服務(wù)任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的單臂空間機(jī)器人已不能滿(mǎn)足要求，而采用多個(gè)機(jī)器人又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。因此，自重構(gòu)多分支機(jī)器人將起著越來(lái)越重要的作用。然而，由于系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變，為動(dòng)力學(xué)建模及軌跡規(guī)劃帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)?；诖耍疚拈_(kāi)展了自重構(gòu)多分支空間機(jī)器人系統(tǒng)的變拓?fù)鋭?dòng)力學(xué)建模、可重構(gòu)軌跡規(guī)劃及動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)等的研究。
　　自重構(gòu)多分支空間機(jī)器人在軌執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，具有自由飛行多臂、單足

2、-多臂、多足-單臂等多個(gè)工作模式，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不固定。為分析其動(dòng)力學(xué)特性并為軌跡規(guī)劃與控制提供依據(jù)，建立了其變拓?fù)鋭?dòng)力學(xué)模型，并開(kāi)發(fā)了C語(yǔ)言計(jì)算程序。利用關(guān)聯(lián)矩陣和通路矩陣描述了不同工作模式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了統(tǒng)一的狀態(tài)方程，采用Runge-Kutta-Gill積分法進(jìn)行數(shù)值求解。當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)改變相應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣和通路矩陣，同時(shí)更新?tīng)顟B(tài)方程所對(duì)應(yīng)的廣義力和狀態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)了不同工作模式下動(dòng)力學(xué)模型的自重構(gòu)。為提高動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算效率

3、，開(kāi)發(fā)了基于C語(yǔ)言的動(dòng)力學(xué)求解程序，并與ADAMS軟件所建立的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行比較，結(jié)果表明了所建模型的準(zhǔn)確性。
　　為確保多分支機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的自重構(gòu)，將頂層任務(wù)規(guī)劃與底層軌跡規(guī)劃結(jié)合起來(lái)，提出了多級(jí)自重構(gòu)軌跡規(guī)劃方法。根據(jù)空間任務(wù)的特點(diǎn)，將機(jī)器人所需要執(zhí)行的任務(wù)分為自身接觸與非自身接觸兩類(lèi)，對(duì)各種工作模式進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作劃分，綜合了動(dòng)作的冗余部分，為底層軌跡規(guī)劃減少了工作量。底層規(guī)劃算法設(shè)計(jì)成多個(gè)可配置算法模塊的組合，這些模塊包括逆

4、運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊、關(guān)節(jié)空間插值模塊和正運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊。頂層任務(wù)規(guī)劃與底層軌跡規(guī)劃的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多分支機(jī)器人規(guī)劃算法的自重構(gòu)。
　　由于自身燃料的消耗，或捕獲了未知目標(biāo)，整個(gè)空間機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)生了變化，為軌跡規(guī)劃和控制帶來(lái)了不利影響。因此系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)極其重要。本文提出了基于角動(dòng)量守恒和PSO優(yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)了無(wú)力矩傳感器下整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的辨識(shí)。空間機(jī)器人抓持目標(biāo)后，將各關(guān)節(jié)鎖死，使整個(gè)系統(tǒng)等效為一單剛體，通過(guò)執(zhí)行姿態(tài)及軌道機(jī)動(dòng)

5、，辨識(shí)出等效單體參數(shù)。再將機(jī)械臂的一個(gè)關(guān)節(jié)打開(kāi)，把目標(biāo)與空間機(jī)器人分別等效為兩個(gè)剛體。利用動(dòng)量守恒定律，推導(dǎo)了動(dòng)力學(xué)方程。通過(guò)所打開(kāi)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合已辨識(shí)出的等效單剛體結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了兩等效體質(zhì)量特性參數(shù)的辨識(shí)。辨識(shí)值與真實(shí)值對(duì)比表明了所提方法的有效性。
　　為對(duì)本文所研究的自重構(gòu)軌跡規(guī)劃方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，開(kāi)發(fā)了基于OSG的一體化仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3D幾何模型、軌跡規(guī)劃模塊、控制模塊及動(dòng)力學(xué)模型組成，利用該系統(tǒng)開(kāi)展了對(duì)空間機(jī)器人典型任務(wù)