空间6R机器人系统容错规划与实验研究

论文摘要

空间机器人包括自由飞行空间机器人、附着式服务机器人、舱内机器人与行星探测机器人。本文以空间6R机器人为研究对象,将前三种空间机器人划分为自由飞行空间机器人与类固定基座空间机器人,分别进行了运动学建模、运动规划、容错规划及算法实验验证的研究。对空间6R机器人运动规划问题进行了研究。首先对自由飞行6R机器人进行了运动学与动力学分析。然后对舱外摄像6R机器人系统进行了运动学建模,得出该机器人8组解析解,并按任务要求提出了轨迹规划算法。介绍了空间机器人的故障模式及空间机器人的容错技术,提出一种直观的空间6R机器人容错规划算法,以提高空间6R机器人在发生一个关节故障情况下完成规划任务的可靠性。对虚拟样机建模技术进行了研究,建立了空间6R机器人的虚拟样机模型。在此虚拟样机模型上,进行空间6R机器人的运动学和动力学仿真,对空间飞行机器人路径规划算法进行了仿真验证。完成了完整的空间机器人从折叠状态到捕获微目标器的仿真实验,并对捕获操作对整个系统的影响进行了分析。利用OpenGL在Visual C++环境下建立舱外摄像6R机器人虚拟现实模型,并进行路径规划算法仿真验证;以一个9自由度模块化机器人重构出空间舱内6R机器人,对容错规划算法进行了地面验证试验。研究空间机器人碰撞检测技术并提出一个基于空间几何的强实时性碰撞检测算法,该算法在舱外摄像机器人虚拟现实模型上得到验证。以空间6R机器人系统为研究对象展开容错规划技术及相关实验研究,将丰富我国在空间机器人技术研究成果,为太空探索打下坚实的理论基础及技术基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及国内外研究现状
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 空间机器人发展现状
• 1.2.2.1 空间机器人实体研究现状
• 1.2.2.2 空间机器人地面实验平台研究现状
• 1.2.3 空间机器人技术理论和方法研究现状
• 1.2.3.1 空间机器人运动学、动力学建模
• 1.2.3.2 空间机器人仿真技术
• 1.2.3.3 空间机器人容错技术
• 1.2.3.4 空间机器人避碰研究
• 1.3 本论文课题来源和研究内容
• 1.3.1 论文课题来源
• 1.3.2 论文研究内容
• 第二章 空间6R机器人运动学、动力学建模
• 2.1 概述
• 2.2 自由飞行空间6R机器人运动学、动力学建模
• 2.2.1 基本坐标系和相关术语
• 2.2.1.1 机械臂关节坐标系
• 2.2.1.2 机械臂连杆坐标系
• 2.2.1.3 机械臂关节角定义
• 2.2.2 运动学方程的建立
• 2.2.2.1 雅可比矩阵的求解
• 2.2.2.2 运动学递推方程
• 2.2.3 动力学方程的建立
• 2.3 类固定基座空间6R机器人运动学建模及轨迹规划
• 2.3.1 杆件坐标系的建立
• 2.3.2 运动学方程的建立
• 2.3.3 类固定基座空间6R机器人路径规划
• 2.3.3.1 运动学逆解计算
• 2.3.3.2 直线轨迹规划
• 2.4 小结
• 第三章 空间6R机器人容错规划算法设计
• 3.1 概述
• 3.2 空间机器人故障模式分析
• 3.3 空间机器人故障检测技术
• 3.3.1 电子电路故障诊断方法
• 3.3.2 控制系统故障检测与诊断
• 3.4 空间机器人容错技术
• 3.4.1 空间机器人关节容错设计
• 3.4.2 空间机器人机械臂容错设计
• 3.4.3 空间机器人容错控制方法
• 3.5 空间6R机器人容错规划算法
• 3.5.1 容错规划算法设计
• 3.5.2 算法思想
• 3.5.3 算法流程
• 3.5.4 算法算例
• 3.6 小结
• 第四章 空间6R机器人虚拟样机技术
• 4.1 概述
• 4.2 虚拟样机建模方法
• 4.3 空间6R机器人虚拟样机建模
• 4.3.1 Pro/E下3D模型建立
• 4.3.2 ADAMS下虚拟样机模型建立
• 4.3.2.1 编辑构件
• 4.3.2.2 添加约束和运动发生器
• 4.3.2.3 添加运动发生器
• 4.3.2.4 测试模型
• 4.3.3 动力学模型输出
• 4.4 空间6R机器人运动学与动力学仿真
• 4.4.1 空间6R机器人运动学仿真
• 4.4.2 手爪捕获目标动力学仿真实验
• 4.4.2.1 手爪捕获微目标测试仿真
• 4.4.2.2 手爪捕获微目标器操作
• 4.5 小结
• 第五章 类固定基座空间机器人实验
• 5.1 概述
• 5.2 舱外6R空间机器人路径规划算法验证实验
• 5.2.1 直线运动仿真实验
• 5.2.2 微运动仿真实验
• 5.2.2.1 沿坐标轴直线运动
• 5.2.2.2 绕坐标轴旋转运动
• 5.3 舱内6R空间机器人容错规划地面实验
• 5.3.1 实验目的
• 5.3.2 实验方案
• 5.3.3 实验条件
• 5.3.4 实验流程
• 5.3.5 实验结果
• 5.4 小结
• 第六章 空间机器人碰撞检测和避碰研究
• 6.1 概述
• 6.2 碰撞检测方法与避碰技术简介
• 6.3 强实时性碰撞检测算法
• 6.3.1 机械臂与舱体的碰撞检测
• 6.3.2 机械臂杆件间的碰撞检测
• 6.4 算法仿真验证
• 6.5 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 表1 空间6R机器人各构件质量属性
• 表2 常用材料间碰撞参数
• 致谢
• 作者攻读学位期间发表的学术论文目录