空间细胞机器人实现层设计研究

【摘要】：未来的空间任务将日趋多变,随着各类大型空间结构的建设,任务量级将会急剧增加,复杂且不可预知的空间任务场景将对空间操作装置的灵活性和可靠性提出更高的要求,传统形式的航天员舱外活动(Extra-vehicular activity,EVA)及固定构型的空间机械臂将难以满足任务要求,设计具备高自主性,高灵活性和高可靠性的构成型多机器人系统来更好地适应复杂的空间任务场景具有很强的现实意义,也是当今航天领域的研究热点。但当今针对空间任务场景,包括行星探测场景和空间在轨服务场景的构成型多机器人系统主要以单一层次进行重构的同构模块化机器人为主,只针对于特定的任务场景,构型有限,适应性较差,不足以应对复杂多变的未来空间任务。针对未来空间任务的需求及现有空间构成型多机器人系统存在的问题,本文首先完善了实验室提出的新型空间操控系统:“空间细胞机器人体系”中实现层的概念,详细设计了实现层方案,确定了实现层内部的层级关系及其基本构成元素。针对实现层核心方案的要求,使用Solidworks和kisssoft软件对功能细胞进行了详细的机械设计,使用MATLAB/simulink对连接机构相关特性分析,对细胞模块的控制系统进行设计和规划。针对运动学建模和动力学建模的要求,将自重构的最小单元确定为由所设计的细胞模块构成的组织模块,并对其进行了构型的数学描述和质量惯量参数的描述;针对组织模块,研究了基于指数积方法(POE)的正运动学建模和基于改进遗传算法(MGA)的逆运动学求解,并做到相关建模及求解的自动生成;研究了基于迭代牛顿-欧拉方法(RNE)的空间细胞机器人的动力学建模,完成了空间细胞机器人实现层的整体设计。给定构型的运动学模型和动力学模型生成为实现层与决策层和应用层交互奠定基础。