基于采样的自由漂浮空间机器人目标抓捕运动规划研究
发布时间：2022-01-03 07:13
空间机器人将是未来空间技术的一个重要发展方向,以空间机器人开展的在轨服务任务相比宇航员出舱操作能够显著地降低成本和风险,完成更加复杂的在轨操作。而自由漂浮空间机器人是工作在基座无控模式下的空间机器人,仅通过控制关节转动完成各种操作。本文研究了基于采样的算法在自由漂浮空间机器人目标抓捕运动规划问题中的应用。介绍一种针对自由漂浮空间机器人的运动学建模方法,并分析系统耦合性、非完整性和非线性给规划问题带来的挑战。在此基础上,完成以UR10为机械臂构型的六自由度自由漂浮空间机器人运动学模型的建立和仿真实验,为后文的运动规划做下铺垫。改进原始的RRT算法（快速扩展随机树,Rapidly-Exploring Random Tree）,处理简化的目标抓捕运动规划问题。简化的规划问题以关节转速为控制输入,考虑了关节角限位约束、转速上限约束和基座扰动约束,需要实现机械臂末端位姿状态的转移。本文对RRT主要的改进是加入了任务空间的目标偏向和转置雅可比矩阵的外推环节,仿真验证了基于采样算法的可用性。改进一种更为先进的采样运动规划算法——稳定稀疏RRT（Stable SparseRRT,SST）,处理更一般情...
【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】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
加拿大第二代空间机械臂系统（左）和欧洲臂（右）
??强站??胤⑸渖?眨?孟钅靠占浠?魅擞?100千克的卫星平台和全长3.0米、质量71千克的机械臂构成，该机械臂由MDA公司研制。该项目同样由空间机器人服务星和可升级维修的目标星两部分组成，在其在轨飞行试验中，演示验证了在轨自主交会、接近、捕获、对接等目标捕获功能，以及在轨维修维护、燃料补给、ORU更换等在轨服务功能。其中机械臂参与的试验主要包括：机械臂在轨性能检测及视觉监测试验、蓄电池ORU的传送试验、空间机械臂的辅助分离试验、空间机械臂自主抓捕目标试验，以及星载计算机的转移与恢复试验[5]。图1-2日本技术试验卫星7号（左）和轨道快车（右）目前了解到的，成功研制并开展空间试验的空间机器人系统只有上述两例，但是航天大国在该领域的研究自开始之初便马不停蹄地进行，在研课题和项目不胜枚举。FREND是由美国海军研究实验室空间技术中心（NRL）负责的利用空间机器人在同步轨道上捕获非合作目标的项目，其主要目的是融合先进的机器视觉技术、机器人技术、捕获机构技术和自主控制算法，以期望未来能够在空间中完成对航天器的自主在轨服务，目前FREND已开发并完成了地面演示试验。“凤凰”（Phoenix）计划在FREND的基础上增加了失效卫星可用部件回收利用的设想，具有极强的军事意义。德国的DEOS项目包含对空间合作目标
刂葡低成杓萍肮δ懿馐缘裙丶?际酢８?机器人主体为5关节对称结构，两端均安装有手爪型末端执行机构，具有在移动的功能。关节转动时机械臂一端自由一端固定在大型结构上，近似等价于固定基座机器人[6]。2016年，哈工大协同航天科技集团第五研究院、北京理工大学两家单位研制的天宫二号机械手随天宫二号发射入轨，机械手包含多感知柔性机械臂、五指仿人灵巧手、手眼相机、控制和人机交互设备及其软件等，我国航天员与机械手协同完成了在轨维修验证、在轨遥操作等科学试验[7]，这是国际首次人机协同在轨维修技术试验。图1-3天宫二号机械臂1.2.2自由漂浮空间机器人抓捕运动规划研究现状由于机械臂的操作时间较短，在忽略了外部力矩的情况下，自由漂浮空间机器人系统满足角动量守恒，整个系统呈现非完整特性。非完整特性是自由漂浮空间机器人区别于固定基座机械臂的重要特点之一，加上对敏感元件对基座姿态的要求，单纯的局部运动规划便有一定的挑战。文献[8]提出自校正运动法，不考虑系统的二阶以上的非线性，用多次周期性的微小关节转动实现基座姿态的调整。文献[9]提出基于扰动图的方法，能够计算出最小基座扰动的关节运动方向。文献[10]将在线规划问题转化为非线性控制问题，提出了一种“零空间投
【参考文献】：
期刊论文
[1]天宫二号机械手关键技术及在轨试验[J]. 刘宏,李志奇,刘伊威,金明河,倪风雷,刘业超,夏进军,张元飞. 中国科学:技术科学. 2018(12)
[2]机械手D-H坐标系建立分析[J]. 孙伏. 陕西理工学院学报(自然科学版). 2016(06)
[3]基于混沌粒子群优化算法的空间机械臂轨迹规划算法[J]. 夏红伟,翟彦斌,马广程,邓雅,王常虹. 中国惯性技术学报. 2014(02)
[4]基于RRT的机器人避碰运动规划算法研究[J]. 李华忠,梁永生,但唐仁,郑洪英,吴险峰. 深圳信息职业技术学院学报. 2012(03)
[5]基于A*算法的空间机械臂避障路径规划[J]. 贾庆轩,陈钢,孙汉旭,郑双奇. 机械工程学报. 2010(13)
[6]空间机器人抓捕任务的六自由度同步控制逼近策略[J]. 朱彦伟,杨乐平. 国防科技大学学报. 2009(06)
[7]自由飘浮空间机器人运动规划研究综述[J]. 税海涛,彭胜军,马宏绪. 自动化技术与应用. 2009(11)
[8]基于随机采样的运动规划综述[J]. 唐华斌,王磊,孙增圻. 控制与决策. 2005(07)
[9]EMR系统机器人运动学和工作空间的分析[J]. 黄献龙,梁斌,陈建新,吴宏鑫. 控制工程. 2000(03)
[10]空间机械臂非完整运动规划的最优控制[J]. 戈新生,陈力,刘延柱. 应用力学学报. 1998(04)
博士论文
[1]航天器交会与接近操作采样运动规划与控制[D]. 陈瑛.哈尔滨工业大学 2020
[2]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
[3]空间机器人目标捕获的运动规划研究[D]. 税海涛.国防科学技术大学 2010
硕士论文
[1]基于采样算法的自由漂浮空间机器人避障运动规划研究[D]. 侯全锐.燕山大学 2019
[2]基于采样的在轨服务航天器轨迹规划研究[D]. 程敏.哈尔滨工业大学 2018
[3]自由漂浮空间机器人路径规划研究[D]. 段晓.北京邮电大学 2010
[4]漂浮基空间机械臂非完整运动规划[D]. 郑中伟.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3565827
【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】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
加拿大第二代空间机械臂系统（左）和欧洲臂（右）
??强站??胤⑸渖?眨?孟钅靠占浠?魅擞?100千克的卫星平台和全长3.0米、质量71千克的机械臂构成，该机械臂由MDA公司研制。该项目同样由空间机器人服务星和可升级维修的目标星两部分组成，在其在轨飞行试验中，演示验证了在轨自主交会、接近、捕获、对接等目标捕获功能，以及在轨维修维护、燃料补给、ORU更换等在轨服务功能。其中机械臂参与的试验主要包括：机械臂在轨性能检测及视觉监测试验、蓄电池ORU的传送试验、空间机械臂的辅助分离试验、空间机械臂自主抓捕目标试验，以及星载计算机的转移与恢复试验[5]。图1-2日本技术试验卫星7号（左）和轨道快车（右）目前了解到的，成功研制并开展空间试验的空间机器人系统只有上述两例，但是航天大国在该领域的研究自开始之初便马不停蹄地进行，在研课题和项目不胜枚举。FREND是由美国海军研究实验室空间技术中心（NRL）负责的利用空间机器人在同步轨道上捕获非合作目标的项目，其主要目的是融合先进的机器视觉技术、机器人技术、捕获机构技术和自主控制算法，以期望未来能够在空间中完成对航天器的自主在轨服务，目前FREND已开发并完成了地面演示试验。“凤凰”（Phoenix）计划在FREND的基础上增加了失效卫星可用部件回收利用的设想，具有极强的军事意义。德国的DEOS项目包含对空间合作目标
刂葡低成杓萍肮δ懿馐缘裙丶?际酢８?机器人主体为5关节对称结构，两端均安装有手爪型末端执行机构，具有在移动的功能。关节转动时机械臂一端自由一端固定在大型结构上，近似等价于固定基座机器人[6]。2016年，哈工大协同航天科技集团第五研究院、北京理工大学两家单位研制的天宫二号机械手随天宫二号发射入轨，机械手包含多感知柔性机械臂、五指仿人灵巧手、手眼相机、控制和人机交互设备及其软件等，我国航天员与机械手协同完成了在轨维修验证、在轨遥操作等科学试验[7]，这是国际首次人机协同在轨维修技术试验。图1-3天宫二号机械臂1.2.2自由漂浮空间机器人抓捕运动规划研究现状由于机械臂的操作时间较短，在忽略了外部力矩的情况下，自由漂浮空间机器人系统满足角动量守恒，整个系统呈现非完整特性。非完整特性是自由漂浮空间机器人区别于固定基座机械臂的重要特点之一，加上对敏感元件对基座姿态的要求，单纯的局部运动规划便有一定的挑战。文献[8]提出自校正运动法，不考虑系统的二阶以上的非线性，用多次周期性的微小关节转动实现基座姿态的调整。文献[9]提出基于扰动图的方法，能够计算出最小基座扰动的关节运动方向。文献[10]将在线规划问题转化为非线性控制问题，提出了一种“零空间投
【参考文献】：
期刊论文
[1]天宫二号机械手关键技术及在轨试验[J]. 刘宏,李志奇,刘伊威,金明河,倪风雷,刘业超,夏进军,张元飞. 中国科学:技术科学. 2018(12)
[2]机械手D-H坐标系建立分析[J]. 孙伏. 陕西理工学院学报(自然科学版). 2016(06)
[3]基于混沌粒子群优化算法的空间机械臂轨迹规划算法[J]. 夏红伟,翟彦斌,马广程,邓雅,王常虹. 中国惯性技术学报. 2014(02)
[4]基于RRT的机器人避碰运动规划算法研究[J]. 李华忠,梁永生,但唐仁,郑洪英,吴险峰. 深圳信息职业技术学院学报. 2012(03)
[5]基于A*算法的空间机械臂避障路径规划[J]. 贾庆轩,陈钢,孙汉旭,郑双奇. 机械工程学报. 2010(13)
[6]空间机器人抓捕任务的六自由度同步控制逼近策略[J]. 朱彦伟,杨乐平. 国防科技大学学报. 2009(06)
[7]自由飘浮空间机器人运动规划研究综述[J]. 税海涛,彭胜军,马宏绪. 自动化技术与应用. 2009(11)
[8]基于随机采样的运动规划综述[J]. 唐华斌,王磊,孙增圻. 控制与决策. 2005(07)
[9]EMR系统机器人运动学和工作空间的分析[J]. 黄献龙,梁斌,陈建新,吴宏鑫. 控制工程. 2000(03)
[10]空间机械臂非完整运动规划的最优控制[J]. 戈新生,陈力,刘延柱. 应用力学学报. 1998(04)
博士论文
[1]航天器交会与接近操作采样运动规划与控制[D]. 陈瑛.哈尔滨工业大学 2020
[2]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
[3]空间机器人目标捕获的运动规划研究[D]. 税海涛.国防科学技术大学 2010
硕士论文
[1]基于采样算法的自由漂浮空间机器人避障运动规划研究[D]. 侯全锐.燕山大学 2019
[2]基于采样的在轨服务航天器轨迹规划研究[D]. 程敏.哈尔滨工业大学 2018
[3]自由漂浮空间机器人路径规划研究[D]. 段晓.北京邮电大学 2010
[4]漂浮基空间机械臂非完整运动规划[D]. 郑中伟.哈尔滨工业大学 2009
本文编号：3565827
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