發(fā)布時(shí)間：2018-07-18 14:44

【摘要】：隨著空間技術(shù)的發(fā)展,如何保證航天器在復(fù)雜的空間環(huán)境中穩(wěn)定持久的運(yùn)行成為空間技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的重要問題。在軌維護(hù)技術(shù)的發(fā)展將為航天器提供有力的后勤保障。目前我國(guó)的在軌維護(hù)技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定的差距,發(fā)展在軌維護(hù)技術(shù)將對(duì)我國(guó)航天高技術(shù)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以國(guó)防科工局民用航天項(xiàng)目“XXX試驗(yàn)系統(tǒng)研究”為背景,研制了一套面向ORU(Orbital Replacement Unit)更換任務(wù)的小型機(jī)械臂樣機(jī),開展了機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解與運(yùn)動(dòng)優(yōu)化、在軌維護(hù)操作策略等關(guān)鍵技術(shù)的研究,并在地面環(huán)境下進(jìn)行了ORU更換實(shí)驗(yàn)。從機(jī)械臂構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)角度,本文對(duì)面向ORU更換的典型機(jī)械臂構(gòu)型進(jìn)行了研究,并確定了機(jī)械臂的合理構(gòu)型與幾何尺寸。根據(jù)任務(wù)要求,提出了九種不同機(jī)械臂構(gòu)型,并從操作能力、靈活性、可折疊性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易性以及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算等方面綜合分析,選用腕部非偏置的SRS構(gòu)型作為機(jī)械臂的最終構(gòu)型,通過理論分析與優(yōu)化計(jì)算確定了機(jī)械臂的幾何尺寸;為了從理論上說明不同構(gòu)型機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)雜性,提出了逆序坐標(biāo)法、虛擬重構(gòu)法和參數(shù)化臂角法,分別用于求解三類不同機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)封閉解,即含有球型基關(guān)節(jié)和非球型腕關(guān)節(jié)的機(jī)械臂(構(gòu)型I)、含有Pieper構(gòu)型或Duffy構(gòu)型的機(jī)械臂(構(gòu)型II)以及SRS仿人機(jī)械臂(構(gòu)型III),三種方法建立了對(duì)應(yīng)構(gòu)型機(jī)械臂封閉解計(jì)算的求解流程,簡(jiǎn)化了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解過程;與逆序坐標(biāo)法相比,虛擬重構(gòu)法的應(yīng)用范圍更廣;此外,采用代數(shù)法確定了七自由度機(jī)械臂在關(guān)節(jié)限位約束下臂角參數(shù)的有效范圍,為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。從機(jī)械臂系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)角度,本文根據(jù)ORU更換任務(wù)分析了機(jī)械臂系統(tǒng)的特點(diǎn),建立了包含七自由度機(jī)械臂和末端執(zhí)行器的層次化系統(tǒng)框架�；�于局部模塊化設(shè)計(jì)思想,研制了三種不同尺寸的具有力/位感知、過載保護(hù)及失電制動(dòng)功能的高集成度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié);此外,研制了一套具有目標(biāo)對(duì)接/釋放及位置容差能力的末端執(zhí)行器;在此基礎(chǔ)上,通過采用分布式控制及內(nèi)部走線方式,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂關(guān)節(jié)之間、機(jī)械臂與執(zhí)行器之間的可拆卸式電氣連接,使機(jī)械臂系統(tǒng)具有較大的活動(dòng)范圍、較高的可靠性和負(fù)載自重比以及對(duì)目標(biāo)的容差操作能力,能夠滿足地面環(huán)境下的任務(wù)操作要求。從冗余機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化角度,本文對(duì)具有運(yùn)動(dòng)約束的冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。以平面冗余機(jī)器人為模型,提出了一種自尋優(yōu)方法,利用機(jī)器人在虛擬轉(zhuǎn)矩作用下向平衡狀態(tài)自運(yùn)動(dòng)的特性進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化,在此基礎(chǔ)上,采用自尋優(yōu)方法實(shí)現(xiàn)了任務(wù)操作過程中冗余機(jī)械臂避關(guān)節(jié)限位的運(yùn)動(dòng)優(yōu)化;針對(duì)冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃問題,建立了關(guān)于臂角參數(shù)的一維優(yōu)化模型,并采用無(wú)性生殖優(yōu)化方法,快速高效地實(shí)現(xiàn)了任務(wù)操作過程中關(guān)節(jié)軌跡的全局優(yōu)化;針對(duì)末端位姿欠約束的操作任務(wù),提出了改進(jìn)的梯度投影方法,通過將任務(wù)空間分解為兩個(gè)正交子空間,有效解決了同時(shí)具有本質(zhì)性冗余和功能性冗余的機(jī)械臂的多目標(biāo)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化問題。從ORU更換任務(wù)的實(shí)現(xiàn)角度,本文對(duì)冗余機(jī)械臂系統(tǒng)的操作策略及柔順控制方法進(jìn)行了研究。根據(jù)ORU更換任務(wù)的特點(diǎn),將操作流程劃分為四種不同的階段,并建立了對(duì)應(yīng)的機(jī)械臂系統(tǒng)操作策略;基于混合阻抗控制及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)二次計(jì)算方法,建立了改進(jìn)的混合阻抗控制模型,實(shí)現(xiàn)了冗余機(jī)械臂的多目標(biāo)運(yùn)動(dòng)優(yōu)化以及在不同任務(wù)空間的阻抗控制或力控制;在力跟蹤方向,采用基于協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的期望軌跡規(guī)劃方法,有效提高了機(jī)械臂系統(tǒng)的力跟蹤效果;最后,通過地面環(huán)境下ORU更換實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了在環(huán)境信息不精確的條件下機(jī)械臂阻抗控制方法及操作策略的有效性。
[Abstract]:With the development of space technology , how to ensure the stable and lasting operation of spacecraft in complex space environment is an important problem to be solved urgently in the field of space technology . In this paper , the motion optimization method of redundant manipulator with motion constraint is studied . A self - optimization method is proposed based on planar redundant robot .
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP241
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本文編號(hào)：2132229