空間機器人將是未來空間技術(shù)的一個重要發(fā)展方向,以空間機器人開展的在軌服務(wù)任務(wù)相比宇航員出艙操作能夠顯著地降低成本和風(fēng)險,完成更加復(fù)雜的在軌操作。而自由漂浮空間機器人是工作在基座無控模式下的空間機器人,僅通過控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動完成各種操作。本文研究了基于采樣的算法在自由漂浮空間機器人目標(biāo)抓捕運動規(guī)劃問題中的應(yīng)用。介紹一種針對自由漂浮空間機器人的運動學(xué)建模方法,并分析系統(tǒng)耦合性、非完整性和非線性給規(guī)劃問題帶來的挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上,完成以UR10為機械臂構(gòu)型的六自由度自由漂浮空間機器人運動學(xué)模型的建立和仿真實驗,為后文的運動規(guī)劃做下鋪墊。改進原始的RRT算法（快速擴展隨機樹,Rapidly-Exploring Random Tree）,處理簡化的目標(biāo)抓捕運動規(guī)劃問題。簡化的規(guī)劃問題以關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速為控制輸入,考慮了關(guān)節(jié)角限位約束、轉(zhuǎn)速上限約束和基座擾動約束,需要實現(xiàn)機械臂末端位姿狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。本文對RRT主要的改進是加入了任務(wù)空間的目標(biāo)偏向和轉(zhuǎn)置雅可比矩陣的外推環(huán)節(jié),仿真驗證了基于采樣算法的可用性。改進一種更為先進的采樣運動規(guī)劃算法——穩(wěn)定稀疏RRT（Stable SparseRRT,SST）,處理更一般情... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

加拿大第二代空間機械臂系統(tǒng)（左）和歐洲臂（右）

??強站??胤⑸瀋?眨?孟钅靠占浠?魅擻?100千克的衛(wèi)星平臺和全長3.0米、質(zhì)量71千克的機械臂構(gòu)成，該機械臂由MDA公司研制。該項目同樣由空間機器人服務(wù)星和可升級維修的目標(biāo)星兩部分組成，在其在軌飛行試驗中，演示驗證了在軌自主交會、接近、捕獲、對接等目標(biāo)捕獲功能，以及在軌維修維護、燃料補給、ORU更換等在軌服務(wù)功能。其中機械臂參與的試驗主要包括：機械臂在軌性能檢測及視覺監(jiān)測試驗、蓄電池ORU的傳送試驗、空間機械臂的輔助分離試驗、空間機械臂自主抓捕目標(biāo)試驗，以及星載計算機的轉(zhuǎn)移與恢復(fù)試驗[5]。圖1-2日本技術(shù)試驗衛(wèi)星7號（左）和軌道快車（右）目前了解到的，成功研制并開展空間試驗的空間機器人系統(tǒng)只有上述兩例，但是航天大國在該領(lǐng)域的研究自開始之初便馬不停蹄地進行，在研課題和項目不勝枚舉。FREND是由美國海軍研究實驗室空間技術(shù)中心（NRL）負責(zé)的利用空間機器人在同步軌道上捕獲非合作目標(biāo)的項目，其主要目的是融合先進的機器視覺技術(shù)、機器人技術(shù)、捕獲機構(gòu)技術(shù)和自主控制算法，以期望未來能夠在空間中完成對航天器的自主在軌服務(wù)，目前FREND已開發(fā)并完成了地面演示試驗�！傍P凰”（Phoenix）計劃在FREND的基礎(chǔ)上增加了失效衛(wèi)星可用部件回收利用的設(shè)想，具有極強的軍事意義。德國的DEOS項目包含對空間合作目標(biāo)

刂葡低成杓萍骯δ懿饈緣裙丶?際酢８?機器人主體為5關(guān)節(jié)對稱結(jié)構(gòu)，兩端均安裝有手爪型末端執(zhí)行機構(gòu)，具有在移動的功能。關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時機械臂一端自由一端固定在大型結(jié)構(gòu)上，近似等價于固定基座機器人[6]。2016年，哈工大協(xié)同航天科技集團第五研究院、北京理工大學(xué)兩家單位研制的天宮二號機械手隨天宮二號發(fā)射入軌，機械手包含多感知柔性機械臂、五指仿人靈巧手、手眼相機、控制和人機交互設(shè)備及其軟件等，我國航天員與機械手協(xié)同完成了在軌維修驗證、在軌遙操作等科學(xué)試驗[7]，這是國際首次人機協(xié)同在軌維修技術(shù)試驗。圖1-3天宮二號機械臂1.2.2自由漂浮空間機器人抓捕運動規(guī)劃研究現(xiàn)狀由于機械臂的操作時間較短，在忽略了外部力矩的情況下，自由漂浮空間機器人系統(tǒng)滿足角動量守恒，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)非完整特性。非完整特性是自由漂浮空間機器人區(qū)別于固定基座機械臂的重要特點之一，加上對敏感元件對基座姿態(tài)的要求，單純的局部運動規(guī)劃便有一定的挑戰(zhàn)。文獻[8]提出自校正運動法，不考慮系統(tǒng)的二階以上的非線性，用多次周期性的微小關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)基座姿態(tài)的調(diào)整。文獻[9]提出基于擾動圖的方法，能夠計算出最小基座擾動的關(guān)節(jié)運動方向。文獻[10]將在線規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為非線性控制問題，提出了一種“零空間投

【參考文獻】：
期刊論文
[1]天宮二號機械手關(guān)鍵技術(shù)及在軌試驗[J]. 劉宏,李志奇,劉伊威,金明河,倪風(fēng)雷,劉業(yè)超,夏進軍,張元飛.  中國科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2018(12)
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博士論文
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[2]自由漂浮空間機器人路徑規(guī)劃及控制方法研究[D]. 曾祥鑫.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[3]空間機器人目標(biāo)捕獲的運動規(guī)劃研究[D]. 稅海濤.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2010

碩士論文
[1]基于采樣算法的自由漂浮空間機器人避障運動規(guī)劃研究[D]. 侯全銳.燕山大學(xué) 2019
[2]基于采樣的在軌服務(wù)航天器軌跡規(guī)劃研究[D]. 程敏.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[3]自由漂浮空間機器人路徑規(guī)劃研究[D]. 段曉.北京郵電大學(xué) 2010
[4]漂浮基空間機械臂非完整運動規(guī)劃[D]. 鄭中偉.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2009



本文編號：3565827