自重構多分支空間機器人動力學與軌跡規(guī)劃的研究.pdf

1、隨著航天技術的發(fā)展，未來的在軌服務任務越來越復雜，要求越來越高，傳統(tǒng)的單臂空間機器人已不能滿足要求，而采用多個機器人又增加了系統(tǒng)的復雜性和成本。因此，自重構多分支機器人將起著越來越重要的作用。然而，由于系統(tǒng)拓撲結構多變，為動力學建模及軌跡規(guī)劃帶來了巨大挑戰(zhàn)。基于此，本文開展了自重構多分支空間機器人系統(tǒng)的變拓撲動力學建模、可重構軌跡規(guī)劃及動力學參數(shù)辨識等的研究。
　　自重構多分支空間機器人在軌執(zhí)行任務的過程中，具有自由飛行多臂、單足

2、-多臂、多足-單臂等多個工作模式，拓撲結構不固定。為分析其動力學特性并為軌跡規(guī)劃與控制提供依據(jù)，建立了其變拓撲動力學模型，并開發(fā)了C語言計算程序。利用關聯(lián)矩陣和通路矩陣描述了不同工作模式的拓撲結構，推導了統(tǒng)一的狀態(tài)方程，采用Runge-Kutta-Gill積分法進行數(shù)值求解。當拓撲結構發(fā)生變化時，自動改變相應的關聯(lián)矩陣和通路矩陣，同時更新狀態(tài)方程所對應的廣義力和狀態(tài)變量，實現(xiàn)了不同工作模式下動力學模型的自重構。為提高動力學模型的計算效率

3、，開發(fā)了基于C語言的動力學求解程序，并與ADAMS軟件所建立的動力學模型進行比較，結果表明了所建模型的準確性。
　　為確保多分支機器人結構上的自重構，將頂層任務規(guī)劃與底層軌跡規(guī)劃結合起來，提出了多級自重構軌跡規(guī)劃方法。根據(jù)空間任務的特點，將機器人所需要執(zhí)行的任務分為自身接觸與非自身接觸兩類，對各種工作模式進行相應的動作劃分，綜合了動作的冗余部分，為底層軌跡規(guī)劃減少了工作量。底層規(guī)劃算法設計成多個可配置算法模塊的組合，這些模塊包括逆

4、運動學模塊、關節(jié)空間插值模塊和正運動學模塊。頂層任務規(guī)劃與底層軌跡規(guī)劃的結合，實現(xiàn)了多分支機器人規(guī)劃算法的自重構。
　　由于自身燃料的消耗，或捕獲了未知目標，整個空間機器人系統(tǒng)的動力學參數(shù)發(fā)生了變化，為軌跡規(guī)劃和控制帶來了不利影響。因此系統(tǒng)的參數(shù)辨識極其重要。本文提出了基于角動量守恒和PSO優(yōu)化的方法，實現(xiàn)了無力矩傳感器下整個系統(tǒng)動力學參數(shù)的辨識?？臻g機器人抓持目標后，將各關節(jié)鎖死，使整個系統(tǒng)等效為一單剛體，通過執(zhí)行姿態(tài)及軌道機動

5、，辨識出等效單體參數(shù)。再將機械臂的一個關節(jié)打開，把目標與空間機器人分別等效為兩個剛體。利用動量守恒定律，推導了動力學方程。通過所打開關節(jié)運動，結合已辨識出的等效單剛體結果，實現(xiàn)了兩等效體質量特性參數(shù)的辨識。辨識值與真實值對比表明了所提方法的有效性。
　　為對本文所研究的自重構軌跡規(guī)劃方法進行仿真驗證，開發(fā)了基于OSG的一體化仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3D幾何模型、軌跡規(guī)劃模塊、控制模塊及動力學模型組成，利用該系統(tǒng)開展了對空間機器人典型任務