多臂自由飞行空间机器人协调操作研究

论文摘要

多臂自由飞行空间机器人（Multiple-arm Free-Flying Space Robot简称多臂FFSR）又叫机器人卫星,由机器人本体和安装于本体的多个机械臂组成,能够在宇宙空间自由浮游或飞行,代替宇航员执行危险的舱外作业。由于FFSR没有固定的机座,组成机械臂的各个部件的运动会干扰机器人本体的位姿;如果机器人本体的姿态变化超出了规定的姿态角,将直接影响机器人本体上的太阳能帆板和通讯天线的正常工作。本文从该机器人的工作空间划分入手,分析了该机器人进行空间作业时如何保持本体姿态稳定的前提下捕捉目标物体。在捕捉到目标物体后不启动姿态调整装置的情况下,对多臂协调操作目标物体时本体的姿态干扰特性、多臂协调操作时关节力矩的计算方法以及外力对多臂FFSR的协调操作的影响等方面进行了深入研究。将模糊控制和滑模变结构控制应用在多臂FFSR的控制中,通过仿真证明所提出的控制方法对外部干扰和系统参数变化有很强的鲁棒性。基于多体系统动力学增广体法建立了多臂自由飞行空间机器人的正、逆运动学模型,分析了广义雅克比矩阵的结构及其奇异性,给出了多臂FFSR动力学奇异的定义。仿真证明多臂FFSR系统是非完整约束系统,机械手任务空间的奇异性同它的运动路径有关。通过对多臂FFSR工作空间的分析,给出了可达工作空间、路径独立工作空间和保证工作空间的定义。通过对机械手捕捉住目标物体后各个机械手的工作空间的变化的分析,得到了目标物体的质量对多臂FFSR各个机械手工作空间的影响,为操作目标物体的路径规划打下了基础。基于冗余分解方法建立了多臂FFSR协调操作目标捕捉运动学和动力学模型,提出了利用多个机械臂协调操作方式减轻反作用飞轮负荷的方法,利用多臂FFSR系统的冗余特性和广义雅可比矩阵零空间的性质,得到了具有冗余自由度的多机械手按规定轨迹运动时关节角加速度的计算方法,给出了目标捕捉过程中多臂FFSR关节力矩的计算方法。在加速度级上通过冗余分解计算机器人各个关节的驱动力矩,利用向量范数最小原理,对多臂FFSR的驱动力矩进行优化,使空间机器人驱动机械臂所消耗的功率最小化。建立了机械手牢固地抓紧目标物体所形成闭合运动链时的运动学模型,对多个机械手同时抓住目标物体,实现协调操作过程进行了仿真,得出了各个机械臂之间的相互协调运动的关系和目标物体质量对协调操作特性的影响规律。基于牛顿——欧拉法建立了多臂FFSR协调操作的动力学方程,避免了拉格朗日方程需要求能量函数的偏导数的问题,提高了计算速度。为了保持FFSR机械手的运动同目标物体的运动要保持一致并保持一定的接触力,建立了多臂协调操作时目标物体的位置和内力控制模型,并在Simulink环境下进行了仿真,验证了所建立控制系统模型是正确的。在多臂FFSR协调操作动力学模型基础上,设计了等效滑模控制器的控制输入,将滑模变结构控制对系统的不确定因素和外部干扰具有较强鲁棒性的特点同模糊控制对控制信号具有逻辑判断能力和逻辑推理能力的特点相结合,利用模糊控制动态调整滑模控制增益和滑模面坡度,加快了系统进入滑动模态的过程并减小了系统的抖振。将PID控制器、传统滑模控制器和基于模糊逻辑的滑模控制器进行了对比分析,验证了模糊滑模控制器对外部干扰和系统参数变化的鲁棒性。设计了双臂FFSR地面实验平台系统,利用气垫法模拟了空间微重力环境,使空间机器人样机漂浮在实验平台上,进行了双臂FFSR协调操作目标物体时本体的姿态干扰特性实验和外力对多臂FFSR本体姿态影响的实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与应用背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 空间机器人技术发展现状
• 1.3.1 空间机器人概述
• 1.3.2 国外空间机器人的发展现状
• 1.3.3 我国空间机器人的发展现状
• 1.4 多臂FFSR协调操作建模方法和运动控制研究现状
• 1.4.1 多臂FFSR的动力学建模方法研究现状
• 1.4.2 多臂FFSR协调操作控制方法研究现状
• 1.5 空间机器人地面实验操作平台研究现状
• 1.6 研究的主要内容
• 第2章 基于增广体法的空间机器人工作空间研究
• 2.1 引言
• 2.2 多臂FFSR模型建立
• 2.2.1 多臂FFSR系统坐标系的建立
• 2.2.2 多臂FFSR系统增广体矢量的定义
• 2.2.3 多臂FFSR的自由度计算
• 2.3 多臂FFSR运动学建模
• 2.3.1 多臂FFSR机械手的位置分析
• 2.3.2 多臂FFSR机械手的速度分析
• 2.3.3 基于增广体法的多臂FFSR的角动量
• 2.3.4 多臂空间机器人约束的非完整性分析
• 2.3.5 基于增广体法的多臂FFSR广义雅可比矩阵
• 2.4 多臂空间机器人的动力学奇异问题分析
• 2.4.1 多臂FFSR动力学奇异性
• 2.4.2 多臂FFSR动力学奇异的影响因素分析
• 2.5 多臂FFSR的工作空间
• 2.5.1 多臂FFSR工作空间的划分
• 2.5.2 多臂FFSR的保证工作空间
• 2.5.3 路径独立工作空间
• 2.6 目标物体对FFSR系统的工作空间的影响
• 2.6.1 目标物体质量对多臂FFSR工作空间的影响
• 2.6.2 实例分析
• 2.6.3 大质量目标物体的操作分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 多臂自由飞行空间机器人目标捕捉力矩优化
• 3.1 引言
• 3.2 多臂自由飞行空间机器人目标捕捉动力学建模
• 3.2.1 多臂FFSR协调操作动力学建模及参数定义
• 3.2.2 多臂FFSR模型参数定义
• 3.3 多臂自由飞行空间机器人机械手正运动学分析
• 3.3.1 多臂FFSR某个机械手的速度
• 3.3.2 基于动量守恒的多臂FFSR运动学分析
• 3.3.3 多臂FFSR机械手的运动方程
• 3.4 多臂FFSR逆运动学建模
• 3.4.1 无冗余情况下多臂FFSR逆运动学方程
• 3.4.2 有冗余情况空间机器人关节角速度求法
• 3.5 基于冗余分解的多臂FFSR机械手关节力矩优化
• 3.5.1 无冗余多臂FFSR关节角加速度计算
• 3.5.2 基于冗余分解的空间机器人关节角加速度计算
• 3.5.3 多臂FFSR关节力矩不加权优化
• 3.5.4 多臂FFSR关节驱动力矩加权零空间优化
• 3.6 多臂FFSR双臂协调操作捕捉目标仿真研究
• 3.6.1 双臂FFSR双臂协调目标捕捉运动规划
• 3.6.2 目标物体捕捉仿真算法设计
• 3.6.3 单臂姿态稳定目标物体捕捉仿真
• 3.6.4 双臂协调姿态稳定目标捕捉仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 多臂自由飞行空间机器人协调操作分析
• 4.1 引言
• 4.2 多臂FFSR多封闭链协调操作运动学建模
• 4.2.1 建立FFSR的坐标系系统和前提条件
• 4.2.2 多臂FFSR机械臂连杆速度分析
• 4.2.3 多臂FFSR连体坐标系速度与关节角速度的关系
• 4.3 多臂FFSR封闭链运动仿真研究
• 4.3.1 仿真模型的建立
• 4.3.2 仿真系统参数定义
• 4.3.3 仿真结果及分析
• 4.4 多臂FFSR协调操作动力学特性研究
• 4.4.1 目标物体动力学模型的建立
• 4.4.2 多臂FFSR任意连杆的动力学模型
• 4.4.3 多臂FFSR本体的动力学模型的建立
• 4.4.4 多臂FFSR协调操作关节力矩的计算
• 4.5 多臂FFSR协调操作位移和力的混合控制
• 4.5.1 多臂协调操作控制力矩计算
• 4.5.2 多臂FFSR协调操作控制规律设计
• 4.5.3 多臂FFSR协调操作的位置和内力控制仿真
• 4.5.4 外力对空间机器人本体的干扰特性分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 多臂空间机器人模糊滑模变结构控制
• 5.1 引言
• 5.2 滑模变结构控制的基本原理
• 5.2.1 滑模变结构控制的定义
• 5.2.2 滑动模态的存在和到达条件
• 5.2.3 滑模变结构控制匹配条件及不变性
• 5.3 模糊滑模变结构控制器设计
• 5.3.1 模糊滑模控制器的组成及控制过程
• 5.3.2 模糊滑模控制器设计的方法
• 5.3.3 精确量的模糊化和模糊量的解模糊
• 5.4 基于模糊逻辑的多臂FFSR滑模变结构控制器设计
• 5.4.1 等效滑模控制器的设计
• 5.4.2 增益自适应模糊滑模控制器设计
• 5.4.3 滑模面坡度自适应模糊控制器设计
• 5.4.4 增益和滑模面坡度自适应模糊滑模控制器设计
• 5.5 基于模糊逻辑的双臂FFSR滑模变结构控制仿真
• 5.5.1 多臂FFSR模糊滑模变结构控制仿真环境
• 5.5.2 Simulink中S函数工作原理
• 5.5.3 仿真结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 双臂自由飞行空间机器人实验台研制与实验
• 6.1 引言
• 6.2 双臂FFSR地面实验平台的研制
• 6.2.1 双臂FFSR实验模型的研制
• 6.2.2 双臂FFSR实验平台气浮系统设计
• 6.2.3 双臂自由飞行空间机器人控制系统设计
• 6.3 双臂FFSR实验平台系统设计
• 6.3.1 双臂空间机器人实验平台系统组成
• 6.3.2 双臂自由飞行空间机器人操作平台设计
• 6.3.3 双臂FFSR模型视觉反馈子系统设计
• 6.4 微重力环境下双臂FFSR实验及其结果分析
• 6.4.1 双臂协调操作目标物体
• 6.4.2 外力对双臂协调操作目标物体的影响实验
• 6.4.3 实验结果及分析
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历