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《哈尔滨工业大学》 2007年
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自由漂浮空间机器人轨迹规划与轨迹跟踪问题研究

丰保民  
【摘要】: 空间机器人将在人类未来空间活动中发挥重要作用,对空间机器人的研究已经成为世界各国航天技术的研究热点。自由漂浮空间机器人是空间机器人的一种类型,其载体的姿态控制和位置控制在机械臂操作期间均不工作,即处于关闭状态。空间机器人工作在这种方式下可以节省燃料和电能,延长空间机器人的在轨寿命,因此自由漂浮空间机器人与其他类型的空间机器人相比具有突出的优点和广阔的应用前景。本文以自由漂浮空间机器人系统为研究对象,研究了自由漂浮空间机器人的动力学、轨迹规划与轨迹控制问题。 本文首先介绍了自由漂浮空间机器人的基本概念和特性,综述了世界各国的空间机器人及其地面仿真技术的研究情况。对空间机器人学理论问题的国内外的研究现状进行了系统评述,内容包括系统的建模问题、轨迹规划问题、控制问题等方面。 本文应用多刚体系统动力学理论和增广体矢量方法,推导了自由漂浮空间机器人的运动学和动力学模型,并给出了平面二连杆自由漂浮空间机器人的模型实例。本文注意到自由漂浮空间机器人在抓取负载过程中由于与负载接触而产生外部扰动力矩,而目前提出的大多数控制器并没有考虑这一点。本文基于这一事实对扰动力矩建立模型,分析了干扰力矩的性质和特点,并分析了自由漂浮空间机器人实际系统存在的不确定性。 自由漂浮空间机器人系统动量矩守恒,机械臂与载体之间存在动力学耦合。由于动量矩守恒方程不可积分,系统的运动为受非完整约束的运动。为利用系统的非完整特性解决自由漂浮空间机器人的运动问题,本文建立了考虑非完整约束的自由漂浮空间机器人动力学方程,并在此基础上应用坐标变换的思想提出了基于参数优化的非完整轨迹规划方法,使得在机械臂到达指定位置的同时,载体姿态也同时到达期望值,解决了机械臂运动与载体姿态相互影响的问题。 轨迹规划解决的只是自由漂浮空间机器人运动学方面的问题,因而研究非完整轨迹规划在动力学上的实现问题具有重要意义。然而目前的研究集中于因负载的变化引起的系统模型不确定性,而没有考虑到外部干扰对系统性能的影响。本文研究了关节空间内的自由漂浮空间机器人鲁棒轨迹跟踪控制问题,提出了基于模糊神经网络的鲁棒智能联合控制器和非线性H∞鲁棒控制器。前者利用Lyapunov方法设计的网络参数调整律保证了系统的稳定性,利用鲁棒控制器对模糊神经网络的逼近误差进行估计和抑制,从而克服了系统不确定性的影响;后者针对同时存在模型不确定性和外部干扰的情况,基于Backstepping方法避免了直接求解HJI不等式的困难,能够使系统镇定并保证从干扰到跟踪误差的L2增益小于给定的指标。 在实际的空间操作期间,空间任务的期望轨迹通常是机械臂末端执行器在任务空间(即惯性空间)内的轨迹,而不是逐个地给定关节轨迹,因此研究任务空间内的轨迹跟踪问题具有重要的实际意义。但是任务空间轨迹实时转换为关节空间轨迹需要计算系统的雅克比矩阵。由于自由漂浮空间机器人系统的雅克比矩阵与系统的动力学参数有关,因此当系统存在参数不确定性时,无法保证将任务空间轨迹精确转换为关节空间轨迹。对此本文研究了任务空间内的自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪控制问题。考虑同时存在模型不确定性和外部干扰的情况,利用“增广变量法”和耗散性原理设计了任务空间内的自适应鲁棒轨迹跟踪控制器。还根据RBF神经网络的学习能力和鲁棒性强的优点提出了任务空间内鲁棒神经网络轨迹跟踪控制器。这两个控制方案均能够保证从外部干扰到跟踪误差的L2增益小于给定的指标,并且能使系统渐近稳定实现了末端抓手在任务空间内对期望轨迹的精确跟踪。
【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】:2007
【分类号】:TP242

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前4条
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2 张庆利;倪风雷;朱映远;党进;刘宏;;三手指空间机器人末端执行器的柔顺抓握策略[J];机器人;2011年04期
3 张文辉;朱银法;;空间机器人控制方法研究综述[J];山东科技大学学报(自然科学版);2013年03期
4 赵立新;黄在范;丁筱玲;;一种新型多弹簧握力器的研究与设计[J];实验室科学;2012年04期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 税海涛;空间机器人目标捕获的运动规划研究[D];国防科学技术大学;2010年
2 魏承;空间柔性机器人在轨抓取与转移目标动力学与控制[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 张文辉;空间机器人神经网络轨迹跟踪控制及微重力模拟方法研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
4 张福海;面向在轨维护的自由漂浮空间机器人运动规划与控制研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 侯忠成;面向空间捕获的机器人路径规划与控制器设计[D];哈尔滨工业大学;2011年
2 郑中伟;漂浮基空间机械臂非完整运动规划[D];哈尔滨工业大学;2009年
3 万三国;机械手抛光技术轨迹规划及其仿真研究[D];五邑大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 洪昭斌;陈力;;具有未知载荷参数的漂浮基双臂空间机器人姿态、关节运动的自适应控制方法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 郭益深;陈力;;自由漂浮空间机械臂系统关节轨迹跟踪的自适应神经网络控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
5 王华;黄筱调;何晋;;基于模糊CMAC的水下灵巧手手指轨迹控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
6 梁捷;陈力;;漂浮基空间机械臂姿态、关节协调运动的模糊变结构滑模控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
7 唐晓腾;陈力;;基于Backstepping的双臂空间机器人关节空间鲁棒控制[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
8 毛行静;陈力;;漂浮基空间机械臂末端爪手惯性空间轨迹跟踪的改进滑模变结构控制方案[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 赵林坤;樊绍胜;;基于闭环增益成形的风力发电转速鲁棒控制[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
10 夏长俊;王瑞奇;顾文锦;;空间机器人运动规划的分布估计算法(EDA)实现[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张宏瀚;高性能U型减摇水舱系统设计与控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 武心安;未知环境下自主式水下潜器路径规划问题研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 高京广;非线性随机系统的稳定、镇定与优化[D];华南理工大学;2010年
4 王前;开关电源的协同控制理论及脉宽调制应用技术研究[D];华南理工大学;2010年
5 童伟;整体耦合式消扭悬架系统原理及其运动学和动力学研究[D];华南理工大学;2010年
6 罗珂;基于输出预测和LMI方法的电力系统广域阻尼控制研究[D];山东大学;2010年
7 贺思三;微动目标高分辨雷达信号建模及特征提取[D];国防科学技术大学;2010年
8 税海涛;空间机器人目标捕获的运动规划研究[D];国防科学技术大学;2010年
9 张志锋;感应电机无速度传感器直接转矩控制关键技术研究[D];沈阳工业大学;2010年
10 关丽荣;基于反推技术的永磁直线同步电机控制策略研究[D];沈阳工业大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 冯小冬;基于模糊PID控制的呼吸机压力控制研究[D];南京医科大学;2010年
2 武文红;基于BP神经网络的半湿润平原井灌区土壤墒情预报研究[D];山东农业大学;2010年
3 王存刚;基于ADAMS的船载特种起重机动力学仿真与控制研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 徐达;柴油发电机组非线性鲁棒控制器研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 翟欢欢;基于递推的船舶航向鲁棒控制器设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 高吾益;吊丝主动重力补偿系统设计与研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 陆露;套装式助力机器人控制方法的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 荆奇;蚁群算法在特种机器人智能控制中的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 王剑;掘进机器人控制算法研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
10 吴慧明;不确定时滞关联大系统的分散鲁棒镇定[D];辽宁工程技术大学;2009年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 牛玉刚,杨成梧;机器人操作手的神经跟踪控制[J];兵工学报;2001年02期
2 李世敬,王解法,冯祖仁,萧蕴诗;基于动态观测器的不确定机器人鲁棒控制研究[J];兵工学报;2005年02期
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前9条
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5 田西勇;机器人轨迹规划方法研究[D];北京邮电大学;2008年
6 池中英;自由漂浮空间机器人自适应控制算法研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
7 唐能;空间合作目标捕获装置的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
8 张文辉;某伸展臂零重力试验装置设计及试验研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
9 陈伟华;工业机器人笛卡尔空间轨迹规划的研究[D];华南理工大学;2010年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前6条
1 张福海;付宜利;王树国;;惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究[J];航空学报;2012年12期
2 徐文福;刘厚德;李成;张金涛;梁斌;;双臂空间机器人捕获运动目标的自主路径规划[J];机器人;2012年06期
3 蔡壮;张国良;田琦;;基于函数滑模控制器的机械手轨迹跟踪控制[J];计算机应用;2014年01期
4 徐秀栋;黄攀峰;孟中杰;;空间绳系机器人抓捕目标过程协同稳定控制[J];机器人;2014年01期
5 周润;黄叙辉;张征宇;李平;;基于双闭环速度控制的捕获轨迹系统[J];航空学报;2014年06期
6 赵立新;黄在范;丁筱玲;;一种新型多弹簧握力器的研究与设计[J];实验室科学;2012年04期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 刘爽;自由漂浮空间机器人轨迹跟踪智能控制算法研究[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2011年
2 郭闯强;空间大型机械臂关节控制系统及轨迹规划研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
3 史也;空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
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中国硕士学位论文全文数据库 前6条
1 朱奎;空间机器人目标捕获的轨迹优化及实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 王鸿鹏,洪炳熔,李华忠;空间机器人的虚拟环境建模及其仿真[J];计算机应用研究;2000年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 贾东永;侯向阳;黄强;;空间机器人结构轻量化设计[A];北京力学会第17届学术年会论文集[C];2011年
2 余志鸿;仇越;李成;;空间机器人一体化关节模块的研制及其在空间探测领域的应用[A];中国空间科学学会空间探测专业委员会第十六次学术会议论文集(下)[C];2003年
3 梁捷;陈力;;空间机器人时延下关节空间轨迹跟踪的改进控制算法设计、仿真[A];第七届全国多体系统动力学暨第二届全国航天动力学与控制学术会议会议论文集[C];2011年
4 徐梁;胡庆雷;程怡明;;基于无源性自由漂浮空间机器人镇定控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
5 陈力;唐晓腾;;双臂自由漂浮空间机器人关节空间的增广变结构鲁棒控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
6 王家顺;邹红霞;高永明;;基于LabVIEW的空间机器人地面控制台研究[A];2011年通信与信息技术新进展——第八届中国通信学会学术年会论文集[C];2011年
7 金宗耀;;冗余度空间机器人力矩与避奇异综合优化[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第八届学术年会论文集(下篇)[C];2011年
8 吴立成;孙富春;孙增圻;;空间机器人建模、规划与控制研究现状分析[A];2005年中国智能自动化会议论文集[C];2005年
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中国重要报纸全文数据库 前10条
1 苏雷记者 郑野军;513所参与空间机器人研制[N];烟台日报;2008年
2 实习生 饶超张雅佼 本报记者 蒋秀娟;机器人能“与人共舞”吗?(一)[N];科技日报;2007年
3 邵肖梅;“新科院士”徐扬生[N];绍兴日报;2008年
4 本报记者 刘思燕;中国空间机器人梦在天上[N];中国航天报;2002年
5 本报记者 高博;丁希仑:快乐“机器人”[N];科技日报;2007年
6 本报记者 马波;“云南科学大讲坛”场面火爆一票难求[N];科技日报;2009年
7 王广飞吉星 记者 初霞;中德空间机器人实验室落户哈工大[N];哈尔滨日报;2008年
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9 善灵;清华一项目获教育部留学回国人员科研启动基金资助[N];科技日报;2007年
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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3 税海涛;空间机器人目标捕获的运动规划研究[D];国防科学技术大学;2010年
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5 田志祥;自由漂浮空间机器人多体动力学及目标捕获研究[D];南京航空航天大学;2012年
6 谢箭;不确定性空间机器人轨迹规划及智能控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
7 黄登峰;刚柔混合漂浮基空间机器人系统的智能神经网络控制[D];福州大学;2011年
8 焦建民;空间机器人故障检测、诊断与系统重构[D];西北工业大学;2004年
9 查世红;空间机器人六自由度浮游目标捕获功能地面验证系统研究[D];中国科学技术大学;2008年
10 陈三风;三维气动式微重力环境模拟平台的智能控制系统研究[D];中国科学技术大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 朱奎;空间机器人目标捕获的轨迹优化及实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
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3 李永明;面向目标获取的空间机器人模糊控制的研究及实现[D];太原理工大学;2011年
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7 李保丰;六自由度空间机器人的工作空间分析与参数辨识[D];北京邮电大学;2011年
8 李晓茹;空间机器人单关节余度控制器设计[D];河南工业大学;2010年
9 杨明远;自由漂浮空间机器人目标捕获的路径规划研究[D];北京邮电大学;2011年
10 李斌;自由漂浮空间机器人的位形控制[D];哈尔滨工业大学;2011年
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