自重构多分支空间机器人动力学与轨迹规划的研究

摘要

随着航天技术的发展，未来的在轨服务任务越来越复杂，要求越来越高，传统的单臂空间机器人已不能满足要求，而采用多个机器人又增加了系统的复杂性和成本。因此，自重构多分支机器人将起着越来越重要的作用。然而，由于系统拓扑结构多变，为动力学建模及轨迹规划带来了巨大挑战。基于此，本文开展了自重构多分支空间机器人系统的变拓扑动力学建模、可重构轨迹规划及动力学参数辨识等的研究。
　　自重构多分支空间机器人在轨执行任务的过程中，具有自由飞行多臂、单足-多臂、多足-单臂等多个工作模式，拓扑结构不固定。为分析其动力学特性并为轨迹规划与控制提供依据，建立了其变拓扑动力学模型，并开发了C语言计算程序。利用关联矩阵和通路矩阵描述了不同工作模式的拓扑结构，推导了统一的状态方程，采用Runge-Kutta-Gill积分法进行数值求解。当拓扑结构发生变化时，自动改变相应的关联矩阵和通路矩阵，同时更新状态方程所对应的广义力和状态变量，实现了不同工作模式下动力学模型的自重构。为提高动力学模型的计算效率，开发了基于C语言的动力学求解程序，并与ADAMS软件所建立的动力学模型进行比较，结果表明了所建模型的准确性。
　　为确保多分支机器人结构上的自重构，将顶层任务规划与底层轨迹规划结合起来，提出了多级自重构轨迹规划方法。根据空间任务的特点，将机器人所需要执行的任务分为自身接触与非自身接触两类，对各种工作模式进行相应的动作划分，综合了动作的冗余部分，为底层轨迹规划减少了工作量。底层规划算法设计成多个可配置算法模块的组合，这些模块包括逆运动学模块、关节空间插值模块和正运动学模块。顶层任务规划与底层轨迹规划的结合，实现了多分支机器人规划算法的自重构。
　　由于自身燃料的消耗，或捕获了未知目标，整个空间机器人系统的动力学参数发生了变化，为轨迹规划和控制带来了不利影响。因此系统的参数辨识极其重要。本文提出了基于角动量守恒和PSO优化的方法，实现了无力矩传感器下整个系统动力学参数的辨识。空间机器人抓持目标后，将各关节锁死，使整个系统等效为一单刚体，通过执行姿态及轨道机动，辨识出等效单体参数。再将机械臂的一个关节打开，把目标与空间机器人分别等效为两个刚体。利用动量守恒定律，推导了动力学方程。通过所打开关节运动，结合已辨识出的等效单刚体结果，实现了两等效体质量特性参数的辨识。辨识值与真实值对比表明了所提方法的有效性。
　　为对本文所研究的自重构轨迹规划方法进行仿真验证，开发了基于OSG的一体化仿真系统。该系统由3D几何模型、轨迹规划模块、控制模块及动力学模型组成，利用该系统开展了对空间机器人典型任务的轨迹规划仿真验证。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外相关领域研究现状综述

1.3 本文主要研究内容

第2章 自重构多分支空间机器人变拓扑动力学建模

2.1 引言

2.2 自重构多分支空间机器人任务构型分析

2.3 空间机器人各工作模式拓扑结构

2.4 空间机器人动力学方程推导及C程序设计

2.5 空间机器人各工作模式动力学模型校验

2.6 本章小结

第3章 多分支空间机器人自重构轨迹规划

3.1 引言

3.2 空间机器人规划的基本概念

3.3 自重构多分支空间机器人顶层规划

3.4 自重构多分支空间机器人底层规划

3.5 本章小结

第4章 空间机器人系统动力学参数辨识

4.1 引言

4.2 等效单刚体动力学建模

4.3 等效两刚体动力学建模

4.4 目标函数构造

4.5 仿真研究

4.6 本章小结

第5章 一体化仿真系统与仿真验证

5.1 引言

5.2 一体化仿真平台介绍

5.3 自重构多分支空间机器人路径规划仿真

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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