非冗余空间机械臂反作用优化的研究

论文摘要

随着人们探索太空活动范围的扩大,空间机械臂得到了广泛的应用。但由于航天器本体和机械臂的动力学耦合,机械臂运动会导致基座位姿产生偏移,特别是两者质量比不是很大时,这个问题变得尤为严重。本文主要研究非冗余空间机器人反作用优化的目标和方法,并进行仿真和地面实验,分析优化结果并总结规律。本文首先研究了空间机械臂的运动学和动力学模型。根据空间机器人的基座受控情况,提出了两类优化目标:受控基座全局、峰值反作用优化,和浮动基座的姿态全局偏移。在基于轨迹参数化的关节空间优化基础上,提出了基于轨迹参数化的笛卡尔空间优化方法,很好地满足了浮动基座空间机械臂反作用优化的需求。其次,设计了关节空间和笛卡尔空间反作用优化流程,选择遗传算法进行参数调整,来解决复杂系统多参数优化问题。在进行笛卡尔空间优化时,在遗传算法中加入避奇异功能,使其具有在奇异和轨迹不可达时可以进行自动回避,使笛卡尔空间优化方法具有可操作性。再次,本文应用动态数据交换技术,综合spacedyn和OpenInventor建立了一种建模简单、扩展性强的空间机器人仿真环境,完成了本文的仿真实验。在结果分析的基础上指出全局优化会引起的峰值效应并分析原因,多关节的叠加效应可以产生良好的峰值优化效果。相同条件下笛卡尔空间优化方法的优化效果要略优于关节空间优化方法。利用笛卡尔空间反作用优化,可以减小浮动基座机械臂运动带来的基座姿态偏移。最后应用哈尔滨工业大学空间机械臂地面模拟实验平台进行地面实验,验证了仿真实验的正确性和优化方法的有效性,同时也指出由于实验条件的原因,地面实验数据具有局部不稳定性等特点。本文的优化方法可以使基座受控类空间机器人可以减少姿态控制能耗或控制难度,基座浮动类空间机器人减少最终的姿态偏移。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空间机器人的分类
• 1.3 国内外空间机械臂研究现状
• 1.3.1 国外几种典型空间机械臂系统
• 1.3.2 中国空间机械臂研究现状
• 1.3.3 空间机器人建模与运动规划
• 1.3.4 地面实验与计算机仿真平台
• 1.4 空间机械臂反作用优化研究现状
• 1.5 本文的选题意义和主要内容
• 1.5.1 课题来源与意义
• 1.5.2 课题的主要内容
• 第2章 空间机械臂运动学和动力学模型
• 2.1 引言
• 2.2 空间机械臂的运动学模型
• 2.2.1 空间机械臂系统速度关系
• 2.2.2 空间机械臂系统动量守恒
• 2.3 空间机械臂的动力学模型
• 2.3.1 逆动力学方程的建立
• 2.3.2 单关节机械臂反作用影响因素
• 2.4 浮动基座空间机械臂特点
• 2.4.1 空间机械臂运动学与动力学耦合
• 2.4.2 空间机械臂系统的非完整性
• 2.5 本章小结
• 第3章 空间机械臂反作用优化的目标与方法
• 3.1 引言
• 3.2 反作用优化目标
• 3.2.1 基座受控类优化目标
• 3.2.2 基座浮动类优化目标
• 3.3 参数化轨迹模型
• 3.4 参数调整策略与奇异轨迹回避
• 3.4.1 遗传算法与参数选择
• 3.4.2 奇异轨迹回避
• 3.5 关节空间反作用优化
• 3.5.1 关节轨迹参数化
• 3.5.2 关节空间反作用优化流程
• 3.6 笛卡尔空间反作用优化
• 3.6.1 笛卡尔轨迹参数化
• 3.6.2 笛卡尔空间反作用优化流程
• 3.6.3 两种优化方法的应用场合
• 3.7 本章小结
• 第4章 空间机械臂反作用优化的仿真实验
• 4.1 引言
• 4.2 仿真实验环境的组建
• 4.2.1 仿真环境的组成要素
• 4.2.2 空间机器人仿真环境
• 4.3 反作用优化仿真实验设计
• 4.3.1 机械臂参数与坐标系
• 4.3.2 仿真实验任务设计
• 4.3.3 仿真实验对照轨迹
• 4.4 基座受控类仿真实验
• 4.4.1 机械臂反作用全局优化
• 4.4.2 机械臂反作用峰值优化
• 4.4.3 特殊轨迹反作用峰值优化
• 4.5 基座浮动类仿真实验
• 4.5.1 基座参考系目标任务
• 4.5.2 惯性参考系目标任务
• 4.6 本章小结
• 第5章 空间机械臂反作用优化的地面实验
• 5.1 引言
• 5.2 地面实验与数据采集系统
• 5.2.1 空间机械臂地面实验系统
• 5.2.2 反作用优化实验的数据采集系统
• 5.3 反作用优化地面实验结果分析比较
• 5.3.1 关节空间优化实验与仿真比较
• 5.3.2 笛卡尔空间优化实验与仿真比较
• 5.3.3 反作用优化地面实验结果间的比较
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢