面向空間站艙內(nèi)冗余機器人系統(tǒng)的研究及實現(xiàn).pdf

1、在近幾年來,空間機器人技術(shù)得到了各國航天部門的高度關(guān)注,太空的惡劣環(huán)境和昂貴的載人航天費用使得發(fā)展空間機器人技術(shù)很有必要性,本課題來源于總裝國家航天921項目“面向空間站科學實驗的遙操作概念研究”,本文研究工作緊密結(jié)合該項目,主要研究了空間站艙內(nèi)冗余機器人模擬系統(tǒng)的總體設(shè)計和系統(tǒng)集成,重點研究了冗余機器人的運動學、軌跡規(guī)劃和控制系統(tǒng)搭建。實驗驗證了該模擬系統(tǒng)在大時延的情況下,地面操作員能夠穩(wěn)定和精確地操作空間艙內(nèi)機器人。
　　

2、本文的主要研究內(nèi)容有如下幾個方面:
　　 (1)首先綜述了空間站艙內(nèi)機器人實驗平臺的研究背景和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,系統(tǒng)分析了艙內(nèi)機器人的關(guān)鍵技術(shù),包括冗余機器人的運動學分析和模塊化機器人的構(gòu)建。
　　 (2)對冗余機器人建立運動學模型,本系統(tǒng)冗余機器人由移動式導軌、七自由度模塊化關(guān)節(jié)機器人和靈巧手組成。采用D-H法對冗余機器人建立正運動學模型,通過MATLAB仿真軟件對正運動學方程進行驗證。逆運動學的解法包括解析法和廣義擴

3、展雅克比矩陣法。
　　 (3)闡述了冗余機器人的整體控制算法,包括運動學逆解、軌跡規(guī)劃算法和避障算法研究。由于解析法運算量比較大,不適合做實時控制,只能通過廣義擴展雅克比矩陣法對其運動學求逆解,本系統(tǒng)機器人是冗余機器人,其雅克比矩陣不可逆,引入雅克比矩陣的偽逆,通過梯度投影法對偽逆解優(yōu)化。用解析法求得的公式對結(jié)果驗證,可有效避開機器人的奇異狀態(tài)。軌跡規(guī)劃算法采用定時插補法,在軌跡規(guī)劃中加入避障算法,完成對冗余機器人的穩(wěn)定安全控制

4、。
　　 (4)研究了空間艙內(nèi)冗余機器人系統(tǒng)的總體設(shè)計方案和硬件構(gòu)成,包括導軌控制系統(tǒng)、七自由度模塊化關(guān)節(jié)機器人系統(tǒng)、手控器系統(tǒng)、靈巧手系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和空間站模擬系統(tǒng)。
　　 (5)分析研究了空間艙內(nèi)機器人系統(tǒng)的整體算法設(shè)計和結(jié)構(gòu)組成,主要包括手控器控制算法、靈巧手控制算法、冗余機器人控制算法、主動視覺控制算法、Kinect視覺控制算法和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。上位機負責監(jiān)視和控制機器人系統(tǒng),下位機負責接收上位機控制命令,向設(shè)備發(fā)