空间机械臂目标捕获的路径规划及碰撞问题研究

论文摘要

最近几十年来,空间机械臂在执行太空任务中起着越来越显著的作用,其中目标捕获作为一项基本操作内容,很多空间任务如在轨服务、检测、组装等都需要执行捕获操作,因此,目标捕获在空间机械臂研究领域尤为重要。本文研究空间机械臂捕获动目标的相关问题,重点研究捕获操作中决定碰撞初始条件的路径规划以及末端与目标之间的碰撞问题、及碰撞冲量的最小化。首先,介绍自由漂浮空间机械臂工作过程中的典型问题,概述现阶段目标捕获技术的研究进展。其次,对于空间机械臂运动学建模问题,借鉴已有建模方法,通过引入动量守恒法则,推导出系统广义雅可比矩阵运动学方程,分析了空间机械臂系统的运动学性能,包括姿态干扰特性、角动量非完整约束特性。利用拉格朗日方程建立了系统的动力学方程。系统运动学、动力学方程是本文后续研究的基础。空间机械臂笛卡尔空间点对点路径是一个正运动学迭代求解的过程,其求解的一般方法是,利用五次多项式将关节运动函数参数化,并对该函数进行归一化处理,最后利用数值求解方法得到在此范围内的收敛关节参数,及实际规划时间。为了便于在轨路径规划,本文采用拟Newton数值迭代法求解关节参数,与以往的Newton方法相比,该方法的计算效率高明显提高。对于连续路径规划,基于广义雅可比矩阵运动学方程,采用速度级求逆的方法,得到满足笛卡尔空间连续路径要求的关节空间运动速度,从而实现机械臂末端位姿对轨迹的连续跟踪。本文设计机械手末端沿圆弧轨迹做摆线形式的运动,从仿真中可以看出,摆线形式的运动在轨迹端点处的速度和加速度为零,满足捕获静止目标时相对速度为零的要求,便于关节空间速度级控制的实现。最后,对于捕获动目标的碰撞问题,分析了目标具有形状情况下的碰撞过程,从冲量的观点出发,利用空间机械臂动量表达式来推导碰撞动力学方程,得到了平台与目标之间线速度和角速度变化关系的动力学方程一,末端与目标之间线速度和角速度变化关系的碰撞动力学方程二,并以动力学方程二计算出碰撞过程中所产生的冲量。分析该冲量表达可知,碰撞过程产生的冲量大小与臂型、碰撞点相对速度、目标捕获点的位置有关,并对最小碰撞局部最优臂型进行求解。为了验证路径规划及最小化冲量的捕获方法,本文设计了一个空间6自由度机械臂系统,其数学模型及虚拟数字化样机模型的仿真结果表明机械手末端能很好地跟踪所规划的点或路径,该路径规划方法,最小冲量条件具有理论和实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.1.1 研究的意义和目的
• 1.2 空间机械臂
• 1.3 捕获的工作原理及工程试验
• 1.4 空间机械臂捕获目标的理论成果
• 1.5 研究内容及章节安排
• 第2章 空间机械臂模型及运动学仿真
• 2.1 引言
• 2.2 运动学建模
• 2.2.1 空间机械臂的描述
• 2.2.2 基本方程
• 2.2.3 速度分析
• 2.2.4 线动量和角动量分析
• 2.3 动力学建模
• 2.4 本文研究的机械臂系统
• 2.4.1 动力学参数表示
• 2.4.2 DH坐标系及DH参数表示
• 2.4.3 几点说明
• 2.5 运动特性仿真分析
• 2.5.1 姿态干扰特性
• 2.5.2 非完整性
• 2.6 本章小结
• 第3章 笛卡尔空间路径规划
• 3.1 引言
• 3.2 笛卡尔空间点到点路径规划
• 3.2.1 点到点路径规划问题
• 3.2.2 关节函数参数化
• 3.2.3 关节函数的归一化
• 3.2.4 关节空间运动轨迹数值求解
• 3.2.5 点对点路径规划仿真研究
• 3.3 笛卡尔空间连续路径规划
• 3.3.1 笛卡尔空间连续位姿跟踪
• 3.3.2 末端运动速度规划
• 3.3.3 机械臂关节运动规划
• 3.3.4 笛卡尔圆弧路径规划仿真研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 碰撞动力学建模及最小冲量臂型
• 4.1 引言
• 4.2 现代碰撞动力学
• 4.3 机械臂与目标碰撞的动力学模型
• 4.3.1 模型及其描述
• 4.3.2 碰撞动力学建模
• 4.3.3 碰撞动力学方程分析
• 4.4 末端速度形式的碰撞动力学模型
• 4.5 碰撞冲量分析
• 4.6 仿真研究
• 4.7 本章小结
• 结论
• 攻读硕士学位期间所撰写的论文
• 参考文献
• 附录
• 附录A 矢量运算
• 附录B 刚体姿态的表示及坐标变换矩阵
• 致谢