双臂空间机器人系统等效建模及协调柔顺控制研究
发布时间：2020-12-21 14:18
随着人类太空活动的深入,不断增多的轨道垃圾给在轨卫星的正常运行带来潜在危险。为了实现对上述空间目标的捕获及操控,双臂空间机器人作为一种有效手段受到了广泛关注。然而由于基座与机械臂之间存在多重动力学耦合,双臂空间机器人在动力学建模与耦合分析、轨迹规划与控制等方面仍存在较大困难,为其实际应用带来了挑战。基于此,本文研究了双臂空间机器人系统的等效建模方法,并进一步提出了基于等效模型的协调轨迹规划方法、能量最优的轨迹优化方法以及协调柔顺控制方法。为了简化机械臂与基座之间的动力学耦合,提出了双臂空间机器人系统的等效建模方法。首先以双臂之间的相对运动为研究对象,推导广义相对雅可比矩阵,实现了双臂之间相对运动速度到机械臂各个关节角速度的映射,并将其推广至适用于多臂空间机器人与多臂地面机器人的通用形式。为了简化双臂空间机器人基座与机械臂之间的多重动力学耦合关系,建立了等效动力学模型。定义其中一个机械臂的末端为虚拟基座,其余部分则等效为一个超冗余虚拟机械臂,进而将双臂空间机器人简化为超冗余单臂空间机器人。基于所建立的双臂空间机器人的等效模型,提出了多优先级双臂协调轨迹规划和虚拟基座无反作用运动规划方法。...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 研究的目的与意义
1.2 空间机器人捕获系统与方法综述
1.2.1 空间机器人系统研究综述
1.2.2 空间机器人在轨捕获方法综述
1.3 双臂空间机器人关键技术研究现状
1.3.1 双臂空间机器人的等效建模方法
1.3.2 双臂空间机器人的协同规划方法
1.3.3 双臂空间机器人的轨迹优化方法
1.3.4 双臂空间机器人的柔顺控制方法
1.4 目前研究中亟待解决的问题
1.5 本文的主要研究内容
第2章 双臂空间机器人系统的等效建模方法
2.1 引言
2.2 双臂空间机器人系统及任务设计
2.2.1 双臂空间机器人系统构型设计
2.2.2 双臂空间机器人在轨服务流程
2.3 双臂空间机器人运动学建模
2.4 广义相对雅可比矩阵的推导
2.4.1 自由漂浮双臂空间机器人的运动学方程
2.4.2 双臂空间机器人的广义相对雅可比矩阵
2.4.3 广义相对雅可比矩阵的一般形式
2.5 双臂空间机器人的虚拟基座建模方法
2.5.1 基于虚拟基座建模的等效运动学方程
2.5.2 基于虚拟基座建模的等效动力学方程
2.6 本章小结
第3章 基于等效模型的双臂协同轨迹规划方法
3.1 引言
3.2 基于广义相对雅可比的多优先级规划
3.2.1 双臂空间机器人系统的冗余性分析
3.2.2 主臂在惯性空间的任务规划
3.2.3 双臂协作的相对运动规划
3.3 基于虚拟基座的无反作用运动规划
3.3.1 增广广义雅可比矩阵
3.3.2 零空间投影广义雅可比矩阵
3.3.3 虚拟基座与实际基座的位姿关系
3.4 多优先级双臂协调运动规划仿真
3.4.1 空间任意位姿目标的捕获仿真
3.4.2 空间自旋目标的捕获仿真
3.5 无虚拟基座扰动的协调规划仿真
3.6 本章小结
第4章 能量最优的双臂协调捕获轨迹优化方法
4.1 引言
4.2 空间目标动力学建模与分析
4.2.1 空间目标动力学建模
4.2.2 空间非合作目标运动分析
4.3 双臂捕获翻滚目标接触前轨迹优化
4.3.1 捕获前双臂跟踪接近的规划控制
4.3.2 臂型角的雅可比矩阵及参数化轨迹
4.3.3 基于MOPSO的多目标函数优化
4.3.4 仿真分析验证
4.4 双臂捕获翻滚目标接触后轨迹优化
4.4.1 接触后的轨迹优化问题
4.4.2 操作过程中的基座扰动分析
4.4.3 运动学-动力学轨迹优化
4.4.4 仿真分析验证
4.5 本章小结
第5章 阻抗参数在线辨识的双臂协调柔顺控制
5.1 引言
5.2 双臂协同操作的等效运动与等效力
5.2.1 双臂操作的相对运动分析
5.2.2 双臂操作的相对力分析
5.3 在线阻抗参数辨识的柔顺控制方法
5.3.1 双臂协同操作的等效阻抗模型
5.3.2 柔顺控制阻抗参数的在线辨识
5.3.3 双臂协同捕获的柔顺控制流程
5.4 双臂捕获空间目标的柔顺控制仿真
5.5 本章小结
第6章 基于地面实验系统的双臂捕获实验研究
6.1 引言
6.2 等效地面实验方案设计
6.2.1 基于动量方程的相对运动等效
6.2.2 空间目标微重力环境运动模拟
6.3 地面实验系统的建立
6.3.1 空间目标模型
6.3.2 七自由度冗余机械臂
6.3.3 地面冗余双臂机器人
6.4 双臂空间机器人捕获目标实验
6.4.1 接触前的构型优化实验
6.4.2 捕获后的轨迹优化实验
6.5 小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]多臂空间机器人操作大型目标的全身接触柔顺控制研究[J]. 刘嘉宇,李通通,余张国,陈学超,黄强. 兵工学报. 2019(02)
[2]一种动态环境下空间机器人的快速路径规划方法[J]. 胡晓东,黄学祥,胡天健,王峰林,梁书立. 空间控制技术与应用. 2018(05)
[3]空间双臂机器人机械臂最优轨迹规划仿真[J]. 韩冬,崔艳,杨培林,赵青云. 计算机仿真. 2018(10)
[4]小卫星星座爆炸解体对空间碎片环境影响分析[J]. 庞宝君,王东方,肖伟科. 空间碎片研究. 2018(03)
[5]空间大型机械臂系统载运轨迹优化方法[J]. 介党阳,陆浩然,吴晗玲,倪风雷. 航空学报. 2018(S1)
[6]基于动力学前馈的空间机器人多销孔装配力柔顺控制[J]. 董悫,张立建,易旺民,万毕乐,孟少华,胡瑞钦. 机械工程学报. 2019(04)
[7]空间碎片及其对载人航天活动的影响与防护[J]. 刘朋,薛野. 空间碎片研究. 2018(01)
[8]基于避障伪距离的自由漂浮空间机器人规划-跟踪一体化控制[J]. 羊帆,张国良,田琦,王保明. 宇航学报. 2018(02)
[9]双臂空间机器人捕获目标的力/位协调控制[J]. 董楸煌,陈力,李海芸,陈志勇. 系统仿真学报. 2017(02)
[10]双臂空间机器人可操作度分析及其构型优化[J]. 张博,梁斌,王学谦,李罡,陈章,朱晓俊. 宇航学报. 2016(10)
博士论文
[1]自由漂浮空间机器人路径规划及控制方法研究[D]. 曾祥鑫.哈尔滨工业大学 2018
[2]空间翻滚目标的位姿测量及其双臂捕获机器人的轨迹规划[D]. 彭键清.哈尔滨工业大学 2018
[3]空间机器人的几何建模和跟踪控制[D]. 周智刚.哈尔滨工业大学 2018
[4]空间机器人自主接管非合作目标的轨迹规划与控制研究[D]. 张博.哈尔滨工业大学 2017
[5]面向ORU更换的冗余机械臂及其柔顺控制的研究[D]. 霍希建.哈尔滨工业大学 2016
[6]冗余双臂机器人在线运动规划与协调操作方法研究[D]. 方健.中国科学技术大学 2016
[7]考虑重力效应的空间机器人系统建模与控制研究[D]. 秦利.燕山大学 2014
[8]空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划与控制问题研究[D]. 丛佩超.哈尔滨工业大学 2009
[9]空间机器人目标捕获的路径规划与实验研究[D]. 徐文福.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]未确知环境下机器宇航员力位控制技术研究[D]. 王艺儒.北京邮电大学 2017
[2]空间多臂移动机器人动力学与控制研究[D]. 刘菲.北京理工大学 2016
[3]机器宇航员协调操作柔顺控制技术研究[D]. 曹柳芳.北京邮电大学 2016
本文编号：2929969
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 研究的目的与意义
1.2 空间机器人捕获系统与方法综述
1.2.1 空间机器人系统研究综述
1.2.2 空间机器人在轨捕获方法综述
1.3 双臂空间机器人关键技术研究现状
1.3.1 双臂空间机器人的等效建模方法
1.3.2 双臂空间机器人的协同规划方法
1.3.3 双臂空间机器人的轨迹优化方法
1.3.4 双臂空间机器人的柔顺控制方法
1.4 目前研究中亟待解决的问题
1.5 本文的主要研究内容
第2章 双臂空间机器人系统的等效建模方法
2.1 引言
2.2 双臂空间机器人系统及任务设计
2.2.1 双臂空间机器人系统构型设计
2.2.2 双臂空间机器人在轨服务流程
2.3 双臂空间机器人运动学建模
2.4 广义相对雅可比矩阵的推导
2.4.1 自由漂浮双臂空间机器人的运动学方程
2.4.2 双臂空间机器人的广义相对雅可比矩阵
2.4.3 广义相对雅可比矩阵的一般形式
2.5 双臂空间机器人的虚拟基座建模方法
2.5.1 基于虚拟基座建模的等效运动学方程
2.5.2 基于虚拟基座建模的等效动力学方程
2.6 本章小结
第3章 基于等效模型的双臂协同轨迹规划方法
3.1 引言
3.2 基于广义相对雅可比的多优先级规划
3.2.1 双臂空间机器人系统的冗余性分析
3.2.2 主臂在惯性空间的任务规划
3.2.3 双臂协作的相对运动规划
3.3 基于虚拟基座的无反作用运动规划
3.3.1 增广广义雅可比矩阵
3.3.2 零空间投影广义雅可比矩阵
3.3.3 虚拟基座与实际基座的位姿关系
3.4 多优先级双臂协调运动规划仿真
3.4.1 空间任意位姿目标的捕获仿真
3.4.2 空间自旋目标的捕获仿真
3.5 无虚拟基座扰动的协调规划仿真
3.6 本章小结
第4章 能量最优的双臂协调捕获轨迹优化方法
4.1 引言
4.2 空间目标动力学建模与分析
4.2.1 空间目标动力学建模
4.2.2 空间非合作目标运动分析
4.3 双臂捕获翻滚目标接触前轨迹优化
4.3.1 捕获前双臂跟踪接近的规划控制
4.3.2 臂型角的雅可比矩阵及参数化轨迹
4.3.3 基于MOPSO的多目标函数优化
4.3.4 仿真分析验证
4.4 双臂捕获翻滚目标接触后轨迹优化
4.4.1 接触后的轨迹优化问题
4.4.2 操作过程中的基座扰动分析
4.4.3 运动学-动力学轨迹优化
4.4.4 仿真分析验证
4.5 本章小结
第5章 阻抗参数在线辨识的双臂协调柔顺控制
5.1 引言
5.2 双臂协同操作的等效运动与等效力
5.2.1 双臂操作的相对运动分析
5.2.2 双臂操作的相对力分析
5.3 在线阻抗参数辨识的柔顺控制方法
5.3.1 双臂协同操作的等效阻抗模型
5.3.2 柔顺控制阻抗参数的在线辨识
5.3.3 双臂协同捕获的柔顺控制流程
5.4 双臂捕获空间目标的柔顺控制仿真
5.5 本章小结
第6章 基于地面实验系统的双臂捕获实验研究
6.1 引言
6.2 等效地面实验方案设计
6.2.1 基于动量方程的相对运动等效
6.2.2 空间目标微重力环境运动模拟
6.3 地面实验系统的建立
6.3.1 空间目标模型
6.3.2 七自由度冗余机械臂
6.3.3 地面冗余双臂机器人
6.4 双臂空间机器人捕获目标实验
6.4.1 接触前的构型优化实验
6.4.2 捕获后的轨迹优化实验
6.5 小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历
【参考文献】：
期刊论文
[1]多臂空间机器人操作大型目标的全身接触柔顺控制研究[J]. 刘嘉宇,李通通,余张国,陈学超,黄强. 兵工学报. 2019(02)
[2]一种动态环境下空间机器人的快速路径规划方法[J]. 胡晓东,黄学祥,胡天健,王峰林,梁书立. 空间控制技术与应用. 2018(05)
[3]空间双臂机器人机械臂最优轨迹规划仿真[J]. 韩冬,崔艳,杨培林,赵青云. 计算机仿真. 2018(10)
[4]小卫星星座爆炸解体对空间碎片环境影响分析[J]. 庞宝君,王东方,肖伟科. 空间碎片研究. 2018(03)
[5]空间大型机械臂系统载运轨迹优化方法[J]. 介党阳,陆浩然,吴晗玲,倪风雷. 航空学报. 2018(S1)
[6]基于动力学前馈的空间机器人多销孔装配力柔顺控制[J]. 董悫,张立建,易旺民,万毕乐,孟少华,胡瑞钦. 机械工程学报. 2019(04)
[7]空间碎片及其对载人航天活动的影响与防护[J]. 刘朋,薛野. 空间碎片研究. 2018(01)
[8]基于避障伪距离的自由漂浮空间机器人规划-跟踪一体化控制[J]. 羊帆,张国良,田琦,王保明. 宇航学报. 2018(02)
[9]双臂空间机器人捕获目标的力/位协调控制[J]. 董楸煌,陈力,李海芸,陈志勇. 系统仿真学报. 2017(02)
[10]双臂空间机器人可操作度分析及其构型优化[J]. 张博,梁斌,王学谦,李罡,陈章,朱晓俊. 宇航学报. 2016(10)
博士论文
[1]自由漂浮空间机器人路径规划及控制方法研究[D]. 曾祥鑫.哈尔滨工业大学 2018
[2]空间翻滚目标的位姿测量及其双臂捕获机器人的轨迹规划[D]. 彭键清.哈尔滨工业大学 2018
[3]空间机器人的几何建模和跟踪控制[D]. 周智刚.哈尔滨工业大学 2018
[4]空间机器人自主接管非合作目标的轨迹规划与控制研究[D]. 张博.哈尔滨工业大学 2017
[5]面向ORU更换的冗余机械臂及其柔顺控制的研究[D]. 霍希建.哈尔滨工业大学 2016
[6]冗余双臂机器人在线运动规划与协调操作方法研究[D]. 方健.中国科学技术大学 2016
[7]考虑重力效应的空间机器人系统建模与控制研究[D]. 秦利.燕山大学 2014
[8]空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划与控制问题研究[D]. 丛佩超.哈尔滨工业大学 2009
[9]空间机器人目标捕获的路径规划与实验研究[D]. 徐文福.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]未确知环境下机器宇航员力位控制技术研究[D]. 王艺儒.北京邮电大学 2017
[2]空间多臂移动机器人动力学与控制研究[D]. 刘菲.北京理工大学 2016
[3]机器宇航员协调操作柔顺控制技术研究[D]. 曹柳芳.北京邮电大学 2016
本文编号：2929969
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