空间机械臂路径规划研究

论文摘要

空间机械臂是一个机、电、热、控一体化的高集成度的空间机电系统。随着空间技术的飞速发展,特别是空间站、航天飞机、空间机器人等的诞生及成功应用,空间机械臂作为在轨支持、服务的一项关键性技术已经进入太空,并越来越受到人们的关注。本文以空间机械臂为研究对象,针对空间机械臂的直线运动、末端运动路径规划以及空间机械臂避障路径规划三个方面进行研究。设计开发了机械臂仿真软件,将其作为平台对路径规划进行仿真研究,验证了算法的可行性和安全性。首先,对空间机械臂和机器人路径规划算法进行概述、对国内外的研究现状进行了分析,指出尚有待进一步研究解决的一些问题。结合课题提出论文的主要研究内容和方法。在分析对空间机械臂自身结构的基础上,应用机器人运动学进行空间机械臂的运动学建模,建立了机械臂运动学方程,并提出了对运动学逆解验证的方法。再次,对空间机械臂的运动模式进行分析,研究了机械臂直线运动、末端运动的路径规划算法,并提出了验证规划算法的性能指标。研究了基于改进人工势场法的避障路径规划算法,分析讨论了位置增益系数对规划算法路径的影响。最后,基于OpenGL建模完成了机械臂仿真软件的设计与开发,重点分析了路径规划算法模块。对机械臂的各种运动进行三维仿真,从而直观的分析和验证了文中所建立的机械臂路径规划算法。仿真验证表明,本文所建立的机械臂路径规划算法正确可靠,能够对机械臂运动提供有效的路径规划,而且改进的人工势场法可以有效的应用于空间机械臂的末端避障路径规划。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国内外空间机械臂发展概况
• 1.2.2 路径规划研究现状
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 第2章 机械臂运动学建模
• 2.1 数学基础
• 2.1.1 刚体位姿描述
• 2.1.2 齐次坐标变换
• 2.2 机器人连杆参数及其齐次变换矩阵
• 2.2.1 连杆参数及连杆坐标系的建立
• 2.2.2 连杆坐标系之间的变换矩阵
• 2.3 空间机械臂运动学
• 2.3.1 建立杆件坐标系
• 2.3.2 运动学方程的建立
• 2.3.3 机械臂运动学逆解
• 2.3.4 运动学逆解验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 空间机械臂路径规划
• 3.1 机械臂的运动模式
• 3.2 直线运动规划
• 3.2.1 位姿插补
• 3.2.2 运动学逆解
• 3.2.3 直线运动算法验证
• 3.3 末端运动规划
• 3.3.1 平移
• 3.3.2 旋转
• 3.4 带避障的自主路径规划
• 3.4.1 障碍的建模
• 3.4.2 基于人工势场法的避障路径规划
• 3.5 本章小结
• 第4章 机械臂仿真软件开发
• 4.1 软件系统分析与设计方法
• 4.2 仿真软件功能分析
• 4.3 仿真软件界面设计与模块分析
• 4.3.1 软件界面设计
• 4.3.2 算法管理模块
• 4.3.3 显示模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 路径规划算法仿真与分析
• 5.1 直线运动的路径规划仿真
• 5.2 末端运动的路径规划仿真
• 5.3 基于人工势场法的避障仿真
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢