自由浮动冗余度空间机器人运动规划与力矩优化方法研究

论文摘要

随着空间科技的发展,人类需要在太空中从事的科学研究和探索越来越多,但是太空环境恶劣,把人类送到太空的成本昂贵、风险太大,因此空间机器人应运而生,自由浮动的空间机器人因其节省燃料而引起人们的广泛关注。本文主要研究了自由浮动冗余度空间机器人系统的运动规划与关节力矩优化问题,对这种空间机器人将来投入实际应用做了一些很有价值的理论研究与探讨,具体工作主要有以下几方面:首先,详细分析了自由浮动冗余度空间机器人系统的运动学特性,建立了系统的运动学模型,结合空间机械臂的冗余特性,采用分解运动速度控制方法完成了系统的姿态稳定运动规划;然后利用自由浮动冗余度空间机器人的零空间自运动特性,实现了空间机器人系统的避奇异运动规划;其次,利用多刚体动力学方法推导出自由浮动冗余空间机器人的动力学方程,采用计算力矩控制方法完成了系统的动力学控制;最后,采用基于零空间法与最小关节力矩方法的局部优化方法,实现了自由浮动冗余度空间机器人系统的关节力矩优化,针对局部优化方法的不稳定问题,本文又研究了基于粒子群算法的全局优化方法,并结合仿真实验深入分析了三种优化方法的优劣,优化方法的应用从一定程度上节省了空间机器人的能量消耗,具有重要的现实意义。本文对自由浮动冗余度空间机器人系统的运动规划与关节力矩优化方法进行了较深入的研究,实现了系统的姿态稳定运动规划、避奇异运动规划与关节力矩优化,这将对自由浮动冗余度空间机器人技术的进一步研究甚至将来走向实用均起到积极的推动作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 空间机器人的国内外研究现状
• 1.3 冗余度空间机器人的研究目的和意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 自由浮动冗余度空间机器人姿态稳定运动规划
• 2.1 前言
• 2.2 自由浮动冗余度空间机器人运动学分析
• 2.2.1 自由浮动冗余度空间机器人运动学模型
• 2.2.2 自由浮动冗余度空间机器人姿态稳定运动规划
• 2.2.3 自由浮动冗余度空间机器人姿态稳定运动控制算法
• 2.3 自由浮动冗余度空间机器人姿态稳定运动规划仿真
• 2.3.1 自由浮动冗余度空间机器人姿态稳定运动规划仿真
• 2.3.2 自由浮动冗余度空间机器人姿态稳定运动规划可视化仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 自由浮动冗余度空间机器人避奇异运动规划
• 3.1 前言
• 3.2 自由浮动冗余度空间机器人避奇异运动规划
• 3.2.1 冗余度空间机器人逆运动学求解方法
• 3.2.2 避奇异优化目标函数的选取
• 3.2.3 放大系数的选取
• 3.3 自由浮动冗余度空间机器人避奇异运动规划仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 自由浮动冗余度空间机器人动力学优化控制
• 4.1 前言
• 4.2 自由浮动冗余度空间机器人动力学模型
• 4.3 自由浮动冗余度空间机器人动力学优化控制
• 4.3.1 自由浮动冗余度空间机器人动力学优化方法
• 4.3.2 自由浮动冗余度空间机器人动力学控制律
• 4.3.3 自由浮动冗余度空间机器人动力学误差方程
• 4.4 自由浮动冗余度空间机器人动力学控制仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 自由浮动冗余度空间机器人关节力矩优化方法研究
• 5.1 前言
• 5.2 自由浮动冗余度空间机器人关节力矩局部优化方法
• 5.2.1 基于零空间法的关节力矩优化计算方法及仿真
• 5.2.2 基于最小关节力矩优化的计算方法及仿真
• 5.2.3 两种局部优化方法的比较
• 5.3 自由浮动冗余度空间机器人关节力矩局部优化方法的局限性
• 5.4 自由浮动冗余度空间机器人关节力矩全局优化方法
• 5.4.1 自由浮动冗余度空间机器人关节力矩全局优化问题分析
• 5.4.2 基于粒子群算法的关节力矩优化计算方法及仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文
• 附录