自由飞行空间焊接机器人运动规划技术研究

论文摘要

自由飞行空间焊接机器人因能大大减小太空操作的危险系数,降低太空作业的成本以及保障宇航员人身安全等优点,今后势必将取代宇航员的舱外焊接作业。目前,自由飞行空间焊接机器人的运动学、动力学及其控制理论方面有许多值得研究和探索的内容,文中重点研究了自由飞行空间焊接机器人的运动规划技术,它是未来空间站自动化维修、装配等空间作业任务实现中的一项关键技术,具有重要的科学意义和学术价值。文中在前人研究的基础上给出了自由飞行空间焊接机器人的运动学几何模型,利用机器人的相关特征推导出了关于自由飞行空间焊接机器人各关节之间的几何、角速度等关系式以及描述机器人本体与机械臂耦合关系的广义雅可比矩阵。在此基础上,介绍了遗传优化算法的特点、原理及应用方法,并将其贯穿于整篇论文的优化计算中,这也是本文研究的重点所在。文中以自由飞行空间焊接机器人焊接操作的运动规划为研究重点,首先对机器人的工作空间进行了描述及推导,对自由飞行空间焊接机器人在空间站的无碰撞安全操作进行了研究,使机器人的双臂在一个工作空间内安全避让开障碍物的前提下成功到达目标点位置。在此基础上对机器人的双臂协调焊接操作和双机器人的协调焊接操作进行了详细研究,给出了具体的基于遗传算法的机器人焊接操作运动规划的计算方法,利用Matlab计算机软件进行编程,对运算过程进行了模拟仿真试验,并进行了误差分析。实验结果表明,文中提出的遗传优化计算方法对自由飞行空间焊接机器人的运动规划问题的求解是合理有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 第一章 绪论
• 1.1 空间机器人的分类
• 1.2 FFSWR 研究的意义
• 1.3 FFSR 运动规划的研究现状
• 1.3.1 FFSR 运动控制的方法
• 1.3.2 FFSR 双臂协调运动规划的研究现状
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 FFSWR 的运动学模型与运动规划算法
• 2.1 基本概念
• 2.1.1 FFSWR 运动规划研究中的基本概念
• 2.1.2 体现双臂FFSWR 运动规划特点的主要概念
• 2.2 FFSWR 运动学模型及运动方程的推导
• 2.2.1 FFSWR 几何模型
• 2.2.2 运动方程中的符号说明
• 2.2.3 运动方程的推导
• 2.2.4 广义雅可比矩阵的特性
• 2.3 基于遗传算法的FFSWR 运动规划算法
• 2.3.1 遗传算法的提出
• 2.3.2 遗传算法的概述
• 2.3.3 基于遗传算法的FFSWR 运动规划
• 2.3.4 计算机仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 工作空间内FFSWR 双臂协调的安全无碰撞运动规划
• 3.1 FFSWR 的工作空间
• 3.1.1 工作空间的描述
• 3.1.2 工作空间的推导
• 3.2 FFSWR 无碰撞双臂协调运动的优化控制方案
• 3.3 基于GA 的工作空间内FFSWR 双臂协调无碰撞运动规划算法
• 3.4 计算机仿真试验
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于遗传算法的FFSWR 双臂协调焊接操作
• 4.1 焊接操作的工作空间及运动状态的研究
• 4.1.1 焊接操作的工作空间
• 4.1.2 FFSWR 运动状态的研究
• 4.2 基于广义雅可比矩阵的运动控制方法
• 4.3 基于遗传算法优化的FFSWR 焊接直线形零件的运动规划
• 4.3.1 焊接运动轨迹规划
• 4.3.2 仿真试验
• 4.4 基于遗传算法优化的FFSWR 焊接弧形零件的运动规划
• 4.4.1 焊接轨迹规划
• 4.4.2 仿真试验
• 4.5 误差分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 双FFSWR 的协调焊接操作
• 5.1 双FFSWR 焊接操作描述
• 5.2 双FFSWR 的运动分析
• 5.3 基于遗传算法的双FFSWR 协调焊接运动规划
• 5.4 仿真试验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要