面向ORU更換的冗余機械臂及其柔順控制的研究.pdf

1、隨著空間技術的發(fā)展，如何保證航天器在復雜的空間環(huán)境中穩(wěn)定持久的運行成為空間技術領域亟待解決的重要問題。在軌維護技術的發(fā)展將為航天器提供有力的后勤保障。目前我國的在軌維護技術與發(fā)達國家還存在一定的差距，發(fā)展在軌維護技術將對我國航天高技術的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。本文以國防科工局民用航天項目“XXX試驗系統(tǒng)研究”為背景，研制了一套面向ORU（Orbital Replacement Unit）更換任務的小型機械臂樣機，開展了機械臂逆運動學求解

2、與運動優(yōu)化、在軌維護操作策略等關鍵技術的研究，并在地面環(huán)境下進行了ORU更換實驗。
　　從機械臂構型的優(yōu)化設計角度，本文對面向ORU更換的典型機械臂構型進行了研究，并確定了機械臂的合理構型與幾何尺寸。根據(jù)任務要求，提出了九種不同機械臂構型，并從操作能力、靈活性、可折疊性、結構簡易性以及運動學計算等方面綜合分析，選用腕部非偏置的SRS構型作為機械臂的最終構型，通過理論分析與優(yōu)化計算確定了機械臂的幾何尺寸；為了從理論上說明不同構型機械

3、臂的逆運動學復雜性，提出了逆序坐標法、虛擬重構法和參數(shù)化臂角法，分別用于求解三類不同機械臂的逆運動學封閉解，即含有球型基關節(jié)和非球型腕關節(jié)的機械臂（構型Ⅰ）、含有Pieper構型或Duffy構型的機械臂（構型Ⅱ）以及SRS仿人機械臂（構型Ⅲ），三種方法建立了對應構型機械臂封閉解計算的求解流程，簡化了逆運動學的求解過程；與逆序坐標法相比，虛擬重構法的應用范圍更廣；此外，采用代數(shù)法確定了七自由度機械臂在關節(jié)限位約束下臂角參數(shù)的有效范圍，為機

4、械臂的運動優(yōu)化奠定了基礎。
　　從機械臂系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)角度，本文根據(jù)ORU更換任務分析了機械臂系統(tǒng)的特點，建立了包含七自由度機械臂和末端執(zhí)行器的層次化系統(tǒng)框架?；诰植磕K化設計思想，研制了三種不同尺寸的具有力/位感知、過載保護及失電制動功能的高集成度旋轉關節(jié)；此外，研制了一套具有目標對接/釋放及位置容差能力的末端執(zhí)行器；在此基礎上，通過采用分布式控制及內部走線方式，實現(xiàn)了機械臂關節(jié)之間、機械臂與執(zhí)行器之間的可拆卸式電氣連接，使

5、機械臂系統(tǒng)具有較大的活動范圍、較高的可靠性和負載自重比以及對目標的容差操作能力，能夠滿足地面環(huán)境下的任務操作要求。
　　從冗余機械臂的運動優(yōu)化角度，本文對具有運動約束的冗余機械臂運動優(yōu)化方法進行了研究。以平面冗余機器人為模型，提出了一種自尋優(yōu)方法，利用機器人在虛擬轉矩作用下向平衡狀態(tài)自運動的特性進行機器人的運動優(yōu)化，在此基礎上，采用自尋優(yōu)方法實現(xiàn)了任務操作過程中冗余機械臂避關節(jié)限位的運動優(yōu)化；針對冗余機械臂運動過程中關節(jié)軌跡規(guī)劃問

6、題，建立了關于臂角參數(shù)的一維優(yōu)化模型，并采用無性生殖優(yōu)化方法，快速高效地實現(xiàn)了任務操作過程中關節(jié)軌跡的全局優(yōu)化；針對末端位姿欠約束的操作任務，提出了改進的梯度投影方法，通過將任務空間分解為兩個正交子空間，有效解決了同時具有本質性冗余和功能性冗余的機械臂的多目標運動優(yōu)化問題。
　　從ORU更換任務的實現(xiàn)角度，本文對冗余機械臂系統(tǒng)的操作策略及柔順控制方法進行了研究。根據(jù)ORU更換任務的特點，將操作流程劃分為四種不同的階段，并建立了對應