空間機械臂目標捕獲的路徑規(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，其中目標捕獲作為一項基本操作內(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，目標捕獲在空間機械臂研究領(lǐng)域尤為重要。本文研究空間機械臂捕獲動目標的相關(guān)問題，重點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械臂工作過程中的典型問題，概述現(xiàn)階段目標捕獲技術(shù)的研究進展。
　　其

2、次，對于空間機械臂運動學建模問題，借鑒已有建模方法，通過引入動量守恒法則，推導出系統(tǒng)廣義雅可比矩陣運動學方程，分析了空間機械臂系統(tǒng)的運動學性能，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)的動力學方程。系統(tǒng)運動學、動力學方程是本文后續(xù)研究的基礎(chǔ)。
　　空間機械臂笛卡爾空間點對點路徑是一個正運動學迭代求解的過程，其求解的一般方法是，利用五次多項式將關(guān)節(jié)運動函數(shù)參數(shù)化，并對該函數(shù)進行歸一化處理，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)，及實際規(guī)劃時間。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動學方程，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)空間運動速度，從而實現(xiàn)機械臂末端位姿對軌跡的連續(xù)跟蹤。本文設(shè)計機械手末端沿圓弧軌跡做擺線形式的運動，從仿真中可以看出，擺線形式的運動在軌跡端點處的速度和加速度為

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