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空间机器人故障检测、诊断与系统重构

焦建民  
【摘要】:随着航天系统复杂性不断增加,投资越来越大,寿命和可靠性要求不断提高,要求航天系统具有故障容错能力,检测、诊断故障的位置,进行有效的系统重构。空间机器人是空间实验室平台和航天飞机等大型航天器的重要组成部分,它可以释放、捕获有效载荷,在航天器的对接等方面发挥重要作用。空间机器人作为一种长寿命的大型空间部件,高可靠、多自由度协同工作是其重要的要求和特点,准确的发现故障、有效的系统重构,已成为空间机器人所必须具备的功能和条件。 论文对空间机器人故障检测与系统重构的几个方面进行了系统地研究,包括总体设计、故障检测、故障容错设计、逆运动学轨迹控制等,内容如下: 1.提出了空间机械臂简要的、基本的总体结构设计原则,为后续问题的讨论奠定了前提基础。 2.介绍了关于空间机械臂的模拟电路、数字电路、控制系统的故障诊断状况。重点介绍了潜通路分析技术,提出了两种新的潜通路分析方法,即基于关键节点的潜通路分析技术、基于定性推理的潜通路分析技术,这两种分析方法可以缩短分析时间、提高分析效率、降低分析成本。 3.论证了运动学通用故障容错机械臂、特定任务对象故障容错机械臂设计的理论依据,研究得到了故障容错机械臂的优化设计方法,设计出了最小自由度数特定任务故障容错机械臂。 4.分析总结了各种冗余机械臂逆运动学关节空间轨迹规划控制算法,提出了基于零空间优化法多约束条件下冗余机械臂逆运动学解,提出了用通用向量形式表示约束条件、按主要任务与次要任务优先次序分配各个任务轻重程度、具有运动学奇异点鲁棒性、具有算术奇异点鲁棒性、基于模糊原理协调多任务的冗余机械臂逆运动学关节角速度向量解法。同时也验证了机械臂系统故障后重构方法的可行性,这些问题的解决为太空机械臂的运动学控制提供了充分条件。


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