雙臂空間機器人捕獲自旋目標(biāo)的協(xié)調(diào)運動規(guī)劃研究.pdf

1、隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人類空間活動日益頻繁，為了提高工作效率和降低宇航員的風(fēng)險，空間機器人將在未來的在軌服務(wù)中扮演越來越重要的角色，而目標(biāo)捕獲是在軌服務(wù)的一項關(guān)鍵技術(shù)。本文以國家863計劃航天領(lǐng)域某重大項目為背景，開展自旋目標(biāo)捕獲的協(xié)調(diào)運動規(guī)劃研究，為未來我國空間機器人在軌服務(wù)技術(shù)的實用化奠定基礎(chǔ)。
　　實際在軌服務(wù)的對象為在軌故障衛(wèi)星、空間垃圾等，可能處于自旋運動狀態(tài)，這對目標(biāo)捕獲提出了巨大挑戰(zhàn)。經(jīng)過大量調(diào)研，總結(jié)了自旋目標(biāo)的實際

2、運動特征，并從理論上建立了其運動學(xué)模型，根據(jù)該模型采用無損卡爾曼濾波方法對其運動狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，基于此提出了單臂自主捕獲及雙臂協(xié)調(diào)的運動規(guī)劃方法，實現(xiàn)對自旋目標(biāo)的成功捕獲。
　　由于存在動力學(xué)耦合，機械臂的運動會改變基座的姿態(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)心等效機械臂”的模型，基于此提出了保持基座穩(wěn)定的無奇異多臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃方法。通過求解等效機械臂的位置級逆運動學(xué)確定平衡臂的運動軌跡，不需求解微分運動學(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題。該方法對平衡臂的運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)及安裝位置無特殊要求，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)量特性和動量發(fā)生了很大改變，可能失穩(wěn)。針對此問題提出了兩種基于角動量守恒的協(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。通過協(xié)調(diào)規(guī)劃各關(guān)節(jié)和飛輪的速度實現(xiàn)對系統(tǒng)角動量的重分配。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)，在實現(xiàn)目標(biāo)停靠的同時保證基座姿態(tài)的偏轉(zhuǎn)最小

4、。該方法采用實際飛輪作為動量交換裝置，具有很好的工程可實現(xiàn)性。
　　為了對協(xié)調(diào)運動規(guī)劃方法進(jìn)行實驗驗證，基于動力學(xué)模擬與運動學(xué)等效的思想建立了一套地面實驗系統(tǒng)。提出了兩種基于6自由度工業(yè)機器人的自旋運動模擬方法：機械臂末端運動模擬法和機械臂肩部奇異運動模擬法。后者充分利用了肩部奇異構(gòu)型的運動特性，考慮了實際的關(guān)節(jié)約束，具有很強的工程可實現(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，減少了開發(fā)成本和時間，利用該系統(tǒng)對