雙臂空間機器人捕獲與操作目標的協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、隨著空間探索的不斷深入，空間機器人系統(tǒng)在航天器設備的在軌裝配、維修以及維護等方面扮演著越來越重要的角色。與單臂相比，雙臂空間機器人具有更高的靈活性、可靠性及容錯性，將成為未來在軌服務的主力。然而，在動力學建模、路徑規(guī)劃以及控制等方面，雙臂空間機器人更加復雜，特別是形成閉鏈的情況。本文針對空間目標在軌捕獲及操作任務，開展了雙臂空間機器人動力學、雙臂協(xié)調(diào)軌跡規(guī)劃及柔順控制等的研究。
　　雙臂同時抓持并操作目標時將形成閉鏈系統(tǒng)，動力學特

2、性極其復雜。為對軌跡規(guī)劃、控制及仿真提供依據(jù)，建立了雙臂空間機器人閉鏈動力學模型，并提出了基于限制型約束的數(shù)值求解方法。通過牛頓歐拉法建立了開鏈雙臂動力學方程，應用切斷鉸約束建立運動學約束方程，合并后組建閉鏈動力學方程，該方法適用于雙臂協(xié)調(diào)操作的動力學建模。所建立的模型作為后續(xù)開展動力學特性分析、軌跡規(guī)劃與控制等研究的基礎。
　　由于機械臂與基座之間存在動力學耦合，機械臂的運動會產(chǎn)生對基座的擾動使其姿態(tài)及質(zhì)心位置發(fā)生變化，該變化又

3、進一步改變了機械臂末端的位姿。這一特性的存在影響了空間機械臂執(zhí)行在軌任務的效率。將機械臂與基座之間的動力學耦合分解為質(zhì)心及姿態(tài)兩部分，提出了位置級與速度級相結合的耦合特性分析方法?；|(zhì)心的線速度滿足線動量守恒這一完整約束，通過建立基座質(zhì)心虛擬機械臂的位置級運動學方程，反映了質(zhì)心位置與各關節(jié)的關系；而基座角速度與關節(jié)角速度滿足的角動量守恒方程為非完整約束，因此，采用速度級運動學描述基座姿態(tài)與機械臂關節(jié)角的關系。論文還定義了用于描述耦合程

4、度的耦合因子，并繪制了基座姿態(tài)耦合圖。混合的動力學耦合建模與分析方法解決了傳統(tǒng)方法中奇異構型繁多，計算效率不高的問題。
　　目標捕獲與操作是實現(xiàn)在軌服務的關鍵，利用雙臂執(zhí)行此任務可增加任務的有效性和可靠性。提出了目標捕獲前及捕獲后的雙臂協(xié)調(diào)軌跡規(guī)劃算法。捕獲前，雙臂根據(jù)手眼視覺提供的目標測量數(shù)據(jù)，實時規(guī)劃機械臂關節(jié)角的運動，直到雙臂同時抓住目標；當捕獲后，需要將目標?？康竭m合于維修的位置，此過程主要通過閉鏈運動學方程的求解實現(xiàn)雙臂