面向ORU更换的冗余机械臂及其柔顺控制的研究

发布时间：2018-07-18 14:44

【摘要】：随着空间技术的发展,如何保证航天器在复杂的空间环境中稳定持久的运行成为空间技术领域亟待解决的重要问题。在轨维护技术的发展将为航天器提供有力的后勤保障。目前我国的在轨维护技术与发达国家还存在一定的差距,发展在轨维护技术将对我国航天高技术的发展具有重要的现实意义。本文以国防科工局民用航天项目“XXX试验系统研究”为背景,研制了一套面向ORU(Orbital Replacement Unit)更换任务的小型机械臂样机,开展了机械臂逆运动学求解与运动优化、在轨维护操作策略等关键技术的研究,并在地面环境下进行了ORU更换实验。从机械臂构型的优化设计角度,本文对面向ORU更换的典型机械臂构型进行了研究,并确定了机械臂的合理构型与几何尺寸。根据任务要求,提出了九种不同机械臂构型,并从操作能力、灵活性、可折叠性、结构简易性以及运动学计算等方面综合分析,选用腕部非偏置的SRS构型作为机械臂的最终构型,通过理论分析与优化计算确定了机械臂的几何尺寸;为了从理论上说明不同构型机械臂的逆运动学复杂性,提出了逆序坐标法、虚拟重构法和参数化臂角法,分别用于求解三类不同机械臂的逆运动学封闭解,即含有球型基关节和非球型腕关节的机械臂(构型I)、含有Pieper构型或Duffy构型的机械臂(构型II)以及SRS仿人机械臂(构型III),三种方法建立了对应构型机械臂封闭解计算的求解流程,简化了逆运动学的求解过程;与逆序坐标法相比,虚拟重构法的应用范围更广;此外,采用代数法确定了七自由度机械臂在关节限位约束下臂角参数的有效范围,为机械臂的运动优化奠定了基础。从机械臂系统的软硬件实现角度,本文根据ORU更换任务分析了机械臂系统的特点,建立了包含七自由度机械臂和末端执行器的层次化系统框架。基于局部模块化设计思想,研制了三种不同尺寸的具有力/位感知、过载保护及失电制动功能的高集成度旋转关节;此外,研制了一套具有目标对接/释放及位置容差能力的末端执行器;在此基础上,通过采用分布式控制及内部走线方式,实现了机械臂关节之间、机械臂与执行器之间的可拆卸式电气连接,使机械臂系统具有较大的活动范围、较高的可靠性和负载自重比以及对目标的容差操作能力,能够满足地面环境下的任务操作要求。从冗余机械臂的运动优化角度,本文对具有运动约束的冗余机械臂运动优化方法进行了研究。以平面冗余机器人为模型,提出了一种自寻优方法,利用机器人在虚拟转矩作用下向平衡状态自运动的特性进行机器人的运动优化,在此基础上,采用自寻优方法实现了任务操作过程中冗余机械臂避关节限位的运动优化;针对冗余机械臂运动过程中关节轨迹规划问题,建立了关于臂角参数的一维优化模型,并采用无性生殖优化方法,快速高效地实现了任务操作过程中关节轨迹的全局优化;针对末端位姿欠约束的操作任务,提出了改进的梯度投影方法,通过将任务空间分解为两个正交子空间,有效解决了同时具有本质性冗余和功能性冗余的机械臂的多目标运动优化问题。从ORU更换任务的实现角度,本文对冗余机械臂系统的操作策略及柔顺控制方法进行了研究。根据ORU更换任务的特点,将操作流程划分为四种不同的阶段,并建立了对应的机械臂系统操作策略;基于混合阻抗控制及逆运动学二次计算方法,建立了改进的混合阻抗控制模型,实现了冗余机械臂的多目标运动优化以及在不同任务空间的阻抗控制或力控制;在力跟踪方向,采用基于协调运动关系的期望轨迹规划方法,有效提高了机械臂系统的力跟踪效果;最后,通过地面环境下ORU更换实验,验证了在环境信息不精确的条件下机械臂阻抗控制方法及操作策略的有效性。
[Abstract]:With the development of space technology , how to ensure the stable and lasting operation of spacecraft in complex space environment is an important problem to be solved urgently in the field of space technology . In this paper , the motion optimization method of redundant manipulator with motion constraint is studied . A self - optimization method is proposed based on planar redundant robot .
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
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本文编号：2132229