收藏本站
《国防科学技术大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

空间机器人目标捕获的运动规划研究

税海涛  
【摘要】:随着航天科技和机器人技术的发展,利用空间机器人提供在轨服务成为航天领域的研究热点,而目标捕获作为自主在轨服务的关键技术备受关注。本文围绕自由飘浮空间机器人目标捕获的运动规划问题展开研究。论文在建立空间机器人数学模型的基础上,分别讨论了奇异相容的精确路径跟踪问题、机械臂位形与基座姿态的协同规划问题、目标捕获时基座最小扰动规划问题以及目标捕获后惯性参数不精确情况下的自适应规划问题。 自由飘浮空间机器人有着与地面固定基座机器人不同的运动特性。在建立运动学模型时,以机械臂末端的位置与速度方程为基础,结合动量守恒方程推导出广义雅可比矩阵;在建立动力学模型时,从机器人的一般动力学模型推导出自由飘浮状态下的动力学方程;最后,给出了本文研究的空间机器人系统,并分析了模型的等效特性、奇异特性以及非完整特性,为后续章节的研究奠定了基础。 奇异性是机械臂的固有属性,空间机械臂也不例外。当空间机械臂陷入奇异位形的时候,传统的奇异回避方法往往会带来机械臂末端轨迹的偏离。本文采用奇异相容的零空间方法,分析了空间机器人通过奇异区域时精确跟踪期望路径的条件,并将在线规划问题转换为非线性控制问题,提出了一种“零空间投影+非线性控制+指令滤波”的关节速度规划框架,设计了相应的控制律与指令滤波器。仿真结果表明,所设计的规划方法无论是在奇异区域还是在非奇异区域都能实现机械臂末端对期望路径的精确跟踪,而且能够确保所规划的关节速度处于给定范围之内。 在点到点规划过程中,不仅需要控制机械臂位形,还需要考虑机械臂的运动给基座姿态带来的扰动。本文首先研究机械臂构形与基座姿态的协同规划问题。在分析系统可控性的基础上,构建了对于线性状态反馈的不变流形,分析了不变流形的物理意义,并基于不变流形设计了分段控制器。该控制器先将机械臂构形与基座姿态调整到不变流形之上,然后沿该流形调整到期望状态。最后结合虚拟机械臂建模方法,将机械臂构形与基座姿态的协同规划扩展到机械臂末端位形与基座姿态的协同规划。仿真结果表明,所设计的方法能将机械臂位形与基座姿态同时调整到期望状态。 在捕获运动目标时,机械臂末端与目标的碰撞可能带来基座角动量的改变。角动量的改变会带来角速度的改变,从而导致基座姿态的扰动。本文着重研究目标捕获时基座角速度的扰动问题。在建立了碰撞动力学模型的基础上,分析了固定位形下碰撞接触点的相对速度与基座角速度扰动量的关系,设计了目标捕获时基座角速度零扰动的关节速度规划方法;然后讨论了采用零扰动规划时碰撞过程中角动量的转移情况,并采用偏移动量方法对零扰动规划进行了优化。仿真结果表明,所设计的规划方法不仅可以避免目标捕获时碰撞给基座带来角速度扰动,同时加快了对目标角动量的吸收速度,有利于捕获后的运动控制。 与地面固定基座机械臂不同的是,空间机器人的运动学中含有动力学参数。在捕获目标后,动力学参数发生了变化,这给规划带来较大困难。本文详细推导了速度方程和动量守恒方程关于动力学参数的线性化形式,并以机械臂末端位置和基座姿态为输出量,提出了一种不需加速度信息的关节空间自适应规划方法;同时,为了加快参数的收敛速度,增加了跟踪误差的预测环节,设计了利用跟踪误差和预测误差的复合自适应规划方法,并对其稳定性和收敛性进行了证明。仿真结果表明,所设计的自适应规划方法能够有效地对不精确的动力学参数进行调整,并能保证任务空间轨迹跟踪误差的渐近收敛。 最后,总结了论文的工作析了不足之处,并提出了今后的研究重点。
【学位授予单位】:

知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 魏岳江;;空间机器人大战序幕开启[J];发明与创新(中学时代);2011年05期
2 蔡伟伟;朱彦伟;陈钦;;空间机器人操作任务可视化仿真研究[J];计算机仿真;2011年08期
3 张文志;刘永生;;一种新型腿轮混合机器人及其轮滑运动规划[J];机械科学与技术;2011年07期
4 张文辉;齐乃明;高九州;;基于神经网络的自由漂浮空间机器人鲁棒控制[J];系统工程与电子技术;2011年06期
5 李保丰;孙汉旭;贾庆轩;陈钢;;基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算[J];航天器工程;2011年04期
6 王珂珂;赵汗青;吕强;张蔚;;基于虚拟触角的自主车辆运动规划方法[J];装甲兵工程学院学报;2011年04期
7 厉虹;张甜;;基于样条逼近与曲线拟合的欠驱动仿生机器人运动规划[J];北京信息科技大学学报(自然科学版);2011年04期
8 张文辉;齐乃明;尹洪亮;;基于滑模变结构的空间机器人神经网络跟踪控制[J];控制理论与应用;2011年09期
9 朱齐丹;吴叶斌;姚姗姗;陆军;;移动传感器对关键点的监测问题研究[J];哈尔滨工程大学学报;2011年05期
10 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
11 谢碧云;赵京;;机器人运动灵活性问题的研究[J];高技术通讯;2010年08期
12 徐兆红;宋成利;闫士举;;机器人在微创外科手术中的应用[J];中国组织工程研究与临床康复;2011年35期
13 王燕;杨庆华;鲍官军;荀一;张立彬;;关节型果蔬采摘机械臂优化设计与试验[J];农业机械学报;2011年07期
14 廖一寰;李道奎;唐国金;;基于混合规划策略的自由漂浮冗余机械臂减振运动规划(英文)[J];Chinese Journal of Aeronautics;2011年04期
15 彭双春;苏菲;潘亮;沈林成;;基于动力学对称性的高空高速飞行器运动规划[J];系统工程与电子技术;2011年07期
16 刘海涛;杨乐平;朱彦伟;韩大鹏;;空间机器人工作空间研究[J];组合机床与自动化加工技术;2011年08期
17 吴剑威;史士财;金明河;马骏;刘宏;;空间机器人关节电磁制动器及其实验研究[J];高技术通讯;2010年09期
18 叶军;段星光;陈学超;;BHR-3型仿人机器人设计[J];机器人技术与应用;2011年02期
19 柯显信;陈玉亮;唐文彬;杨晓晨;;仿人面部表情机器人连续表情运动控制系统设计[J];微电机;2011年06期
20 ;[J];;年期
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 史先鹏;张波涛;刘士荣;吴秋轩;;面向任务的冗余移动机械臂的运动规划[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
7 王红;周越;;移动机器人的分层式运动规划方法研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
8 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
9 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
10 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
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 刘培香 史轶夫 刘治宇;我国机器人破短跑世界纪录[N];人民政协报;2009年
6 本报记者 高博;丁希仑:快乐“机器人”[N];科技日报;2007年
7 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
8 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
9 华望;中国加紧研制太空机器人[N];大众科技报;2000年
10 杨保国;中国科大研制的机器人会说话能干活[N];科技日报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10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 王平;空间自主在轨服务航天器近距离操作运动规划研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 田富洋;在轨服务空间机器人机械多体系统动力学高效率建模研究[D];南京航空航天大学;2009年
4 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
5 吴燕华;光镊在生物细胞自动化操作中的力学标定和运动规划[D];中国科学技术大学;2011年
6 史先鹏;模块化移动机械臂运动规划与控制[D];华东理工大学;2010年
7 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
8 王文利;大射电望远望悬索式馈源支撑系统的运动规划、动态检测与控制[D];西安电子科技大学;2001年
9 崔茂源;基于虚拟现实技术与监控理论的机器人示教系统研究[D];吉林大学;2004年
10 陈文斌;人体上肢运动学分析与类人肢体设计及运动规划[D];华中科技大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 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
2 段晓;自由漂浮空间机器人路径规划研究[D];北京邮电大学;2010年
3 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
4 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
5 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
6 李大明;空间机器人在轨自主装配动力学与控制[D];哈尔滨工业大学;2012年
7 张猛;空间机器人动力学建模与鲁棒控制[D];沈阳航空航天大学;2012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 王光彬;复杂环境下无约束运动体多目标运动规划与轨迹控制研究[D];吉林大学;2011年
10 高子坤;空间机器人无扰运动规划与神经网络模型预测控制[D];福州大学;2003年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978