多臂自由飛行空間機器人協(xié)調(diào)操作研究.pdf

1、多臂自由飛行空間機器人（Multiple-arm Free-Flying Space Robot簡稱多臂 FFSR）又叫機器人衛(wèi)星，由機器人本體和安裝于本體的多個機械臂組成，能夠在宇宙空間自由浮游或飛行，代替宇航員執(zhí)行危險的艙外作業(yè)。由于 FFSR沒有固定的機座，組成機械臂的各個部件的運動會干擾機器人本體的位姿；如果機器人本體的姿態(tài)變化超出了規(guī)定的姿態(tài)角，將直接影響機器人本體上的太陽能帆板和通訊天線的正常工作。本文從該機器人的工作空間劃

2、分入手，分析了該機器人進行空間作業(yè)時如何保持本體姿態(tài)穩(wěn)定的前提下捕捉目標物體。在捕捉到目標物體后不啟動姿態(tài)調(diào)整裝置的情況下，對多臂協(xié)調(diào)操作目標物體時本體的姿態(tài)干擾特性、多臂協(xié)調(diào)操作時關(guān)節(jié)力矩的計算方法以及外力對多臂FFSR的協(xié)調(diào)操作的影響等方面進行了深入研究。將模糊控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用在多臂FFSR的控制中，通過仿真證明所提出的控制方法對外部干擾和系統(tǒng)參數(shù)變化有很強的魯棒性。
　　基于多體系統(tǒng)動力學增廣體法建立了多臂自由飛行空

3、間機器人的正、逆運動學模型，分析了廣義雅克比矩陣的結(jié)構(gòu)及其奇異性，給出了多臂FFSR動力學奇異的定義。仿真證明多臂FFSR系統(tǒng)是非完整約束系統(tǒng)，機械手任務(wù)空間的奇異性同它的運動路徑有關(guān)。通過對多臂FFSR工作空間的分析，給出了可達工作空間、路徑獨立工作空間和保證工作空間的定義。通過對機械手捕捉住目標物體后各個機械手的工作空間的變化的分析，得到了目標物體的質(zhì)量對多臂FFSR各個機械手工作空間的影響，為操作目標物體的路徑規(guī)劃打下了基礎(chǔ)。

4、r>　　基于冗余分解方法建立了多臂FFSR協(xié)調(diào)操作目標捕捉運動學和動力學模型，提出了利用多個機械臂協(xié)調(diào)操作方式減輕反作用飛輪負荷的方法，利用多臂FFSR系統(tǒng)的冗余特性和廣義雅可比矩陣零空間的性質(zhì)，得到了具有冗余自由度的多機械手按規(guī)定軌跡運動時關(guān)節(jié)角加速度的計算方法，給出了目標捕捉過程中多臂FFSR關(guān)節(jié)力矩的計算方法。在加速度級上通過冗余分解計算機器人各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩，利用向量范數(shù)最小原理，對多臂FFSR的驅(qū)動力矩進行優(yōu)化，使空間機器人

5、驅(qū)動機械臂所消耗的功率最小化。
　　建立了機械手牢固地抓緊目標物體所形成閉合運動鏈時的運動學模型，對多個機械手同時抓住目標物體，實現(xiàn)協(xié)調(diào)操作過程進行了仿真，得出了各個機械臂之間的相互協(xié)調(diào)運動的關(guān)系和目標物體質(zhì)量對協(xié)調(diào)操作特性的影響規(guī)律?；谂ｎD——歐拉法建立了多臂FFSR協(xié)調(diào)操作的動力學方程，避免了拉格朗日方程需要求能量函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)的問題，提高了計算速度。為了保持FFSR機械手的運動同目標物體的運動要保持一致并保持一定的接觸力，建

6、立了多臂協(xié)調(diào)操作時目標物體的位置和內(nèi)力控制模型，并在Simulink環(huán)境下進行了仿真，驗證了所建立控制系統(tǒng)模型是正確的。
　　在多臂FFSR協(xié)調(diào)操作動力學模型基礎(chǔ)上，設(shè)計了等效滑模控制器的控制輸入，將滑模變結(jié)構(gòu)控制對系統(tǒng)的不確定因素和外部干擾具有較強魯棒性的特點同模糊控制對控制信號具有邏輯判斷能力和邏輯推理能力的特點相結(jié)合，利用模糊控制動態(tài)調(diào)整滑?？刂圃鲆婧突Ｃ嫫露?，加快了系統(tǒng)進入滑動模態(tài)的過程并減小了系統(tǒng)的抖振。將PID控制器