【摘要】：在空間站的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)期間,空間機(jī)械臂因其高靈巧性和高自主性的特點(diǎn),將承擔(dān)繁重復(fù)雜的在軌服務(wù)任務(wù)。保證空間機(jī)械臂的末端位姿精度是順利完成在軌服務(wù)任務(wù)的基礎(chǔ)。然而,受到發(fā)射力學(xué)條件、意外沖擊或碰撞以及長(zhǎng)期服役引起的磨損、變形等多重因素的影響,空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致末端位姿精度降低。一般來(lái)說(shuō),在軌自標(biāo)定能夠校正運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),是提高空間機(jī)械臂末端位姿精度的有效手段。自標(biāo)定通常采用的絕對(duì)位姿誤差模型要求能夠準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)械臂的末端絕對(duì)位姿,而這依賴(lài)于末端位姿測(cè)量系與機(jī)械臂基系之間坐標(biāo)變換關(guān)系的確定。對(duì)空間機(jī)械臂來(lái)說(shuō),發(fā)射期間的振動(dòng)與沖擊、空間站艙體的內(nèi)外壓差以及艙體的熱變形均會(huì)改變測(cè)量系與基系之間的位姿關(guān)系,產(chǎn)生坐標(biāo)變換誤差,進(jìn)而影響運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定效果,這導(dǎo)致絕對(duì)位姿誤差模型不再適用于空間機(jī)械臂的在軌自標(biāo)定。針對(duì)上述問(wèn)題,本文以空間站七自由度機(jī)械臂為研究對(duì)象,通過(guò)引入位置距離與轉(zhuǎn)角距離的概念描述機(jī)械臂末端相對(duì)位姿誤差,探索運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差與相對(duì)位姿誤差的線性映射關(guān)系,研究空間機(jī)械臂相對(duì)位姿誤差建模方法,并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展相對(duì)位姿誤差模型的獨(dú)立參數(shù)判別準(zhǔn)則與測(cè)量構(gòu)型優(yōu)化策略研究,最終建立一套基于相對(duì)位姿誤差模型的空間機(jī)械臂在軌自標(biāo)定理論與方法。理論和應(yīng)用研究成果歸納如下:(1)空間機(jī)械臂末端位姿精度影響因素研究。以七自由度空間機(jī)械臂作為研究對(duì)象,并基于MDH參數(shù)法建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;然后,從位置距離準(zhǔn)確度和轉(zhuǎn)角距離準(zhǔn)確度的定義出發(fā),提出了一套機(jī)械臂相對(duì)位姿精度評(píng)估方法及其測(cè)量實(shí)驗(yàn)條件,避免了測(cè)量系與基系之間坐標(biāo)變換誤差對(duì)位姿精度評(píng)估的影響;設(shè)計(jì)了空間機(jī)械臂位姿精度評(píng)估實(shí)驗(yàn),為標(biāo)定理論的仿真驗(yàn)證和實(shí)物驗(yàn)證提供指導(dǎo);最后,分析了空間機(jī)械臂末端位姿精度的影響因素及其分布規(guī)律,并利用蒙特卡羅法分析了絕對(duì)位姿精度與相對(duì)位姿精度的映射關(guān)系,論證相對(duì)位姿誤差建模的可行性。(2)面向空間機(jī)械臂在軌自標(biāo)定的相對(duì)位姿誤差建模。通過(guò)分析測(cè)量系與機(jī)械臂基系之間坐標(biāo)變換誤差對(duì)絕對(duì)位姿誤差模型標(biāo)定精度的影響,論證了相對(duì)位姿誤差建模的必要性;通過(guò)忽略高階誤差分別建立空間機(jī)械臂位置距離誤差模型與轉(zhuǎn)角距離誤差模型,結(jié)合兩者構(gòu)建出完整的相對(duì)位姿誤差模型。與現(xiàn)有方法相比,本文不僅推導(dǎo)了上述高階誤差的數(shù)學(xué)期望,以證明相對(duì)位姿誤差模型精度滿(mǎn)足標(biāo)定要求,而且通過(guò)引入轉(zhuǎn)角距離誤差模型,大幅提高了標(biāo)定后機(jī)械臂的末端姿態(tài)精度。(3)空間機(jī)械臂相對(duì)位姿誤差模型獨(dú)立參數(shù)判別準(zhǔn)則研究。在論證參數(shù)獨(dú)立性分析必要性的基礎(chǔ)上,依據(jù)辨識(shí)矩陣的列相關(guān)性建立了絕對(duì)位姿誤差模型的獨(dú)立參數(shù)判別準(zhǔn)則;然后以絕對(duì)位姿誤差模型參數(shù)獨(dú)立性分析為基礎(chǔ),分別分析了位置距離誤差模型和轉(zhuǎn)角距離誤差模型的參數(shù)獨(dú)立性,結(jié)合兩者建立了相對(duì)位姿誤差模型的獨(dú)立參數(shù)判別準(zhǔn)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用上述準(zhǔn)則去除七自由度空間機(jī)械臂誤差模型中的冗余參數(shù)可以提高在軌自標(biāo)定精度。(4)空間機(jī)械臂在軌自標(biāo)定測(cè)量構(gòu)型優(yōu)化策略研究。在確定測(cè)量構(gòu)型優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與最優(yōu)數(shù)量的基礎(chǔ)上,通過(guò)引入遞增法構(gòu)造初始集合與細(xì)分構(gòu)型可行域的手段改進(jìn)DETMAX算法,從而避免了原有DETMAX算法受隨機(jī)初始集合影響易發(fā)生局部收斂的問(wèn)題,并擴(kuò)展了優(yōu)化問(wèn)題的可行域,能夠進(jìn)一步提高可觀指數(shù);然后,針對(duì)空間機(jī)械臂的冗余特性,利用粒子群算法在零空間內(nèi)查找最優(yōu)測(cè)量構(gòu)型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與DETMAX方法相比,本文提出的優(yōu)化策略能夠構(gòu)建具有更高可觀指數(shù)的測(cè)量構(gòu)型集合,從而產(chǎn)生更好的標(biāo)定效果。(5)空間機(jī)械臂在軌自標(biāo)定方法地面實(shí)驗(yàn)研究。在改造現(xiàn)有地面氣浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了自標(biāo)定所需的末端位姿測(cè)量裝置,并開(kāi)發(fā)了可視化機(jī)械臂規(guī)劃控制軟件平臺(tái)。以五自由度空間機(jī)械臂樣機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,設(shè)計(jì)了典型的實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)施驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),借助手眼相機(jī)與激光跟蹤儀采集數(shù)據(jù),利用MATLAB軟件分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)本文提出的空間機(jī)械臂在軌自標(biāo)定理論與方法的有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP241
【圖文】：

隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，空間機(jī)械臂在空間站的建設(shè)與維護(hù)、實(shí)驗(yàn)載荷的捕逡逑獲與安裝、衛(wèi)星的釋放與回收和在軌可更換單元的替換等在軌服務(wù)任務(wù)中發(fā)揮著越逡逑來(lái)越重要的作用［１］。國(guó)際空間站的建設(shè)和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)表明，利用空間機(jī)械臂輔助航天員逡逑完成空間站建設(shè)與維護(hù)、實(shí)驗(yàn)載荷捕獲與安裝等在軌服務(wù)任務(wù)，可以有效降低出艙逡逑風(fēng)險(xiǎn)，提高在軌服務(wù)任務(wù)的執(zhí)行效率［２］。加拿大、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)較早開(kāi)展逡逑了空間機(jī)械臂的研宄工作，并基于國(guó)際空間站等在軌平臺(tái)開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)和工程逡逑應(yīng)用，從而積累了豐富的技術(shù)能力和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。逡逑灥逡逑＇邐一．邋邋－邋■知；』，一邋二：邐：邋＾一—二二－—“二一邋—邋邋邋逡逑圖１－１邋ＳＳＲＭＳ執(zhí)行裝配任務(wù)邐圖１－２ＪＥＭＲＭＳ執(zhí)行后勤艙暴露實(shí)驗(yàn)逡逑

圖１－１邋ＳＳＲＭＳ執(zhí)行裝配任務(wù)邐

逡逑圖１－１邋ＳＳＲＭＳ執(zhí)行裝配任務(wù)邐圖１－２ＪＥＭＲＭＳ執(zhí)行后勤艙暴露實(shí)驗(yàn)逡逑■逡逑圖１－３邋ＥＲＡ及其備用肘關(guān)節(jié)邐圖１４邋ＣＭＭ與“天宮”核心艙逡逑加拿大的移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)ＭＳＳ用于執(zhí)行國(guó)際空間站的搭建與維護(hù)等任務(wù)，主要由逡逑空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（Ｓｐａｃｅ邋Ｓｔａｔｉｏｎ邋Ｒｅｍｏｔｅ邋Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＳＳＲＭＳ）、活動(dòng)逡逑基座系統(tǒng)（Ｍｏｂｉｌｅ邋Ｂａｓｅ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＭＢＳ）以及專(zhuān)用靈巧機(jī)械臂（Ｓｐｅｃｉａｌ邋Ｐｕｒｐｏｓｅ邋Ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ逡逑Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，邋ＳＰＤＭ）組成［：）］。ＳＳＲＭＳ是一條７自由度機(jī)械臂，最大載荷質(zhì)量高達(dá)逡逑１１００００ｋｇ，操作靈活性高，可以完成精細(xì)復(fù)雜的在軌捕獲及組裝任務(wù)，如圖１－１所逡逑示。工作時(shí)該機(jī)械臂的一端能夠抓持于活動(dòng)基座上，另外一端安裝有靈巧手，可以逡逑２逡逑

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