面向空间站舱内冗机器人系统的研究及实现

论文摘要

在近几年来,空间机器人技术得到了各国航天部门的高度关注,太空的恶劣环境和昂贵的载人航天费用使得发展空间机器人技术很有必要性,本课题来源于总装国家航天921项目“面向空间站科学实验的遥操作概念研究”,本文研究工作紧密结合该项目,主要研究了空间站舱内冗余机器人模拟系统的总体设计和系统集成,重点研究了冗余机器人的运动学、轨迹规划和控制系统搭建。实验验证了该模拟系统在大时延的情况下,地面操作员能够稳定和精确地操作空间舱内机器人。本文的主要研究内容有如下几个方面：（1）首先综述了空间站舱内机器人实验平台的研究背景和国内外的研究现状,系统分析了舱内机器人的关键技术,包括冗余机器人的运动学分析和模块化机器人的构建。（2）对冗余机器人建立运动学模型,本系统冗余机器人由移动式导轨、七自由度模块化关节机器人和灵巧手组成。采用D-H法对冗余机器人建立正运动学模型,通过MATLAB仿真软件对正运动学方程进行验证。逆运动学的解法包括解析法和广义扩展雅克比矩阵法。（3）阐述了冗余机器人的整体控制算法,包括运动学逆解、轨迹规划算法和避障算法研究。由于解析法运算量比较大,不适合做实时控制,只能通过广义扩展雅克比矩阵法对其运动学求逆解,本系统机器人是冗余机器人,其雅克比矩阵不可逆,引入雅克比矩阵的伪逆,通过梯度投影法对伪逆解优化。用解析法求得的公式对结果验证,可有效避开机器人的奇异状态。轨迹规划算法采用定时插补法,在轨迹规划中加入避障算法,完成对冗余机器人的稳定安全控制。（4）研究了空间舱内冗余机器人系统的总体设计方案和硬件构成,包括导轨控制系统、七自由度模块化关节机器人系统、手控器系统、灵巧手系统、视觉系统和空间站模拟系统。（5）分析研究了空间舱内机器人系统的整体算法设计和结构组成,主要包括手控器控制算法、灵巧手控制算法、冗余机器人控制算法、主动视觉控制算法、Kinect视觉控制算法和虚拟现实技术。上位机负责监视和控制机器人系统,下位机负责接收上位机控制命令,向设备发送控制命令和向上位机返回数据信息,包括力反馈和视觉信息。最后,对已开展的工作进行总结,并对今后开展的工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号和缩略词说明
• 图表索引
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究背景与意义
• 1.3 国内外空间舱内机器人实验平台研究现状
• 1.4 国内外空间舱内机器人关键技术研究现状
• 1.4.1 冗余机器人运动学
• 1.4.2 模块化机器人
• 1.5 本文研究内容及章节安排
• 第二章 冗余机器人运动学
• 2.1 引言
• 2.2 运动学建模
• 2.2.1 坐标变换
• 2.2.2 欧拉角
• 2.2.3 齐次矩阵变换
• 2.3 运动学正解算
• 2.4 运动学仿真
• 2.5 运动学逆解算
• 2.5.1 解析法
• 2.5.2 广义扩展雅克比矩阵法
• 2.6 本章小结
• 第三章 冗余机器人控制算法
• 3.1 引言
• 3.2 总控制算法设计
• 3.3 逆解优化算法
• 3.4 轨迹规划算法
• 3.4.1 直线位置插补轨迹规划
• 3.4.2 直线姿态插补轨迹规划
• 3.5 避障算法
• 3.5.1 障碍物处理
• 3.5.2 碰撞检测
• 3.6 本章小结
• 第四章 机器人硬件控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 机器人硬件总体设计
• 4.3 导轨控制系统硬件设计
• 4.3.1 线性控制器
• 4.3.2 导轨伺服驱动电机
• 4.3.3 电机驱动单元
• 4.3.4 PMAC运动控制卡
• 4.4 模块化关节机器人硬件设计
• 4.4.1 机器人旋转关节模块
• 4.4.2 模块化机器人结构设计
• 4.4.3 模块化机器人电源系统设计
• 4.5 手控器系统硬件设计
• 4.5.1 手控器结构设计
• 4.5.2 手控器电路设计
• 4.6 灵巧手系统硬件设计
• 4.6.1 灵巧手工作原理
• 4.6.2 力矩传感器
• 4.6.3 触觉传感器阵列
• 4.7 视觉系统硬件设计
• 4.7.1 主动视觉系统硬件设计
• 4.7.2 Kinect视觉系统硬件设计
• 4.8 空间站实验舱模拟系统硬件设计
• 4.9 本章小结
• 第五章 机器人软件控制系统设计
• 5.1 引言
• 5.2 机器人软件总体设计
• 5.3 上位机软件总体设计
• 5.3.1 手控器软件设计
• 5.3.2 灵巧手软件设计
• 5.3.3 冗余机器人软件设计
• 5.3.4 主动视觉软件设计
• 5.3.5 Kinect视觉软件设计
• 5.3.6 虚拟现实软件设计
• 5.4 下位机软件总体设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录